ITBO20120458A1 - Apparecchiatura di riscaldamento comprendente una caldaia a condensazione ed una pompa di calore - Google Patents

Description

DESCRIZIONE

del brevetto per invenzione industriale dal titolo:

"APPARECCHIATURA DI RISCALDAMENTO COMPRENDENTE UNA CALDAIA A CONDENSAZIONE ED UNA POMPA DI CALORE"

La presente invenzione è relativa ad una apparecchiatura di riscaldamento comprendente una caldaia a condensazione ed una pompa di calore. In particolare, la pompa di calore può essere del tipo aria/acqua.

Attualmente sono conosciuti degli impianti di riscaldamento centralizzato che utilizzano una pompa di calore aria/acqua, in cui è previsto l'inserimento di una caldaia a condensazione a gas per sostituire la pompa di calore come fonte di energia nel momento in cui il rendimento della pompa di calore stessa dovesse scendere al di sotto del rendimento della caldaia a condensazione. Tuttavia, questi impianti sono generalmente una somma di singoli dispositivi, come una caldaia a condensazione ed una pompa di calore e sono gestiti da un sistema di regolazione e controllo supplementare che, a seconda delle condizioni ambientali esterne e della temperatura media dell'impianto di riscaldamento, abilita la pompa di calore, o, a scelta, la caldaia in modo da assicurare al sistema rendimenti sempre superiori al 85 ÷ 90% indipendentemente dalle condizionai ambientali esterne.

Pertanto, scopo della presente invenzione è quello di realizzare una apparecchiatura di riscaldamento ottenuta da una vera integrazione di una caldaia a condensazione e di una pompa di calore aria/acqua, con un solo condotto di adduzione dell'aria ed un solo condotto di scarico dell'aria e dei fumi, in grado di ottenere rendimenti superiori a quelli ottenibili dall'uso alternativo o simultaneo dei due dispositivi (attuale stato dell'arte); che sia anche di semplice installazione per l'installatore e di semplice utilizzo per 1'utilizzatore.

Secondo la presente invenzione viene realizzata, quindi, una apparecchiatura di riscaldamento secondo quanto rivendicato nella rivendicazione 1 o in una qualsiasi delle rivendicazioni dipendenti, direttamente o indirettamente, dalla rivendicazione 1 stessa.

I valori di rendimento indicati in questa descrizione sono calcolati seguendo il nuovo indirizzo dettato dalla Commissione Europea in base al quale i bilanci energetici per il calcolo dei rendimenti delle macchine che producono energia termica vanno fatti tenendo conto: del PCS (potere calorifico superiore) del combustibile utilizzato; del consumo di energia elettrica utilizzata da queste macchine per la produzione di energia termica e del consumo di energia primaria (quella ottenuta da combustibili fossili) utilizzata per la generazione dell'energia elettrica, considerando una resa del sistema energetico europeo del 40% (vale a dire considerando che ogni kWh di energia elettrica prodotta richiede l'utilizzo di 2,5 kWh di energia termica contenuta nei combustibili fossili; rapporto definito in sede europea come "coefficiente di conversione" CC).

La presente invenzione verrà ora descritta con riferimento ai disegni annessi, che ne illustrano alcuni esempi di attuazione non limitativi, in cui:

- la figura 1 illustra una prima forma di attuazione di una apparecchiatura di riscaldamento realizzata secondo i dettami della presente invenzione;

- la figura 2 mostra una seconda forma di attuazione di una apparecchiatura di riscaldamento realizzata secondo i dettami della presente invenzione;

- la figura 3 illustra una terza forma di attuazione di una apparecchiatura di riscaldamento realizzata secondo i dettami della presente invenzione;

la figura 4 mostra sotto forma di curve l'andamento dei rendimenti di varie opzioni impiantistiche in funzione della temperatura esterna dell'aria e della temperatura media dell'acqua nell'impianto, nel caso di un impianto di riscaldamento a radiatori (impianti ad alta temperatura); e

- la figura 5 illustra, sotto forma di curve, l'andamento dei rendimenti di varie opzioni impiantistiche in funzione della temperatura esterna dell'aria e della temperatura media dell'acqua nell'impianto nel caso di un impianto di riscaldamento a pavimento (impianti a bassa temperatura).

In figura 1, con 100 è stata indicata, nel suo complesso, una apparecchiatura di riscaldamento realizzata secondo i dettami della presente invenzione.

E' da notare, per prima cosa, che l'apparecchiatura di riscaldamento 100 comprende una caldaia a condensazione 20 ed una pompa di calore 50 associate tra di loro in maniera tale da costituire una unica apparecchiatura. Vantaggiosamente la pompa di calore 50 è del tipo aria/acqua.

La caldaia a condensazione 20 comprende una camera stagna 21 che racchiude al suo interno un bruciatore 22 (di tipo premix), un ventilatore 23, almeno una porzione di un tubo di adduzione 24 del gas combustibile al bruciatore 22 ed uno scambiatore di calore primario 25 attraversato da un circuito primario 30 di distribuzione dell'acqua calda ai radiatori (non illustrati) di un impianto di riscaldamento centralizzato. Nello scambiatore di calore primario 25 avviene lo scambio termico tra i fumi prodotti dal bruciatore 22 e l'acqua del circuito primario 30 di riscaldamento.

Si noti che il circuito primario 30 comprende un condotto di ritorno 31 dell'acqua alla caldaia 20 ed un condotto di mandata 32 dell'acqua calda ai radiatori. L'acqua viene fatta circolare all'interno del circuito primario 30 per mezzo di una pompa (PP). Sul condotto di mandata 32 si trova una sonda di temperatura (STI), la quale consente di misurare i valori di temperatura raggiunti dall'acqua all'uscita dell'apparecchiatura 100.

Inoltre, al tubo di adduzione 24 del gas combustibile è associata una valvola gas 26 a doppio otturatore (uno di sicurezza ed uno di lavoro), la quale, come vedremo, consente il passaggio del gas al bruciatore 22 ogni qual volta vi è necessità di fornire calore al circuito primario 30.

La camera stagna 21 è in comunicazione con l'ambiente esterno tramite un condotto di aspirazione 27 dell'aria.

Come mostrato sempre in figura 1, il ventilatore 23, a cui arriva il gas che si mescola in un miscelatore 23A con l'aria comburente, è applicato sopra un carter 35, il quale ospita il suddetto scambiatore di calore primario 25. Sul fondo del carter 35 viene posto un sifone 36 per lo scarico della condensa proveniente sia dallo scambiatore di calore primario 25 della caldaia a condensazione 20, che la condensa proveniente dall'evaporatore della pompa di calore 50 (vedi oltre).

All'interno della camera stagna 21 si trova anche un vaso d'espansione 37, che consente di compensare le dilatazioni termiche dell'acqua che fluisce nel circuito primario 30.

Esternamente alla camera stagna 21 vi è una scheda elettronica 40 di regolazione e controllo, che consente al sistema di operare in base alle logiche descritte ai punti successivi.

Vi è poi un pannello comandi 45 (mezzi elettronici di comando e controllo 45), il quale permette all'utente di accendere e spegnere l'intera apparecchiatura 100, oltre che di regolare la temperatura di riscaldamento e di controllare, visualizzandoli, i parametri impostati.

Trascurando per il momento la presenza della pompa di calore 50, il funzionamento della sola caldaia a condensazione 20 è il seguente.

Ogni qual volta si "accende" la caldaia 20 (vale a dire ogni qual volta viene dato il consenso elettrico al suo funzionamento), la pompa (PP) si mette in funzione, la sonda (STI) rileva una temperatura inferiore a quella impostata dall'utente sul pannello comandi 45, la scheda di regolazione 40 fornisce il consenso all'accensione del bruciatore 22 azionando il ventilatore 23 ed aprendo la valvola gas 26.

Il ventilatore 23 genera una depressione al miscelatore 23A che determina l'apertura dell'otturatore di lavoro della valvola gas 26 ed il passaggio del gas combustibile.

Contemporaneamente il sistema di accensione e di sicurezza (non illustrato) verifica la effettiva accensione del bruciatore e la presenza della fiamma; e mantiene di conseguenza il consenso all'apertura della valvola gas 26.

La scheda elettronica 40 opera a questo punto come un sistema di regolazione ad anello chiuso con retroazione; nel senso che fintanto che la temperatura rilevata dalla sonda (STI) è distante dal valore di set-point fissato dall'utente, il ventilatore 23 opera al massimo regime di giri e la valvola gas 26 mantiene aperto il gas alla massima portata consentita.

All'approssimarsi della temperatura di set-point la scheda elettronica 40 fa in modo che diminuisca la potenza richiesta diminuendo il numero di giri del ventilatore 23 e la portata del gas che attraversa la valvola gas 26, adeguando così la potenza termica erogata dal bruciatore 22 in modo da mantenere la temperatura dell'acqua in uscita dal circuito primario 30 al valore impostato sul pannello comandi 45.

Se la richiesta di energia termica dell'impianto di riscaldamento è talmente piccola da superare il valore minimo di potenza erogabile dalla caldaia 20, la temperatura dell'acqua che ritorna in caldaia 20 dal condotto 31 aumenta progressivamente così come aumenta quella al condotto in mandata 32.

Quando la differenza di temperatura fra il valore rilevato dalla sonda (STI) ed il valore impostato supera un valore predefinito di alcuni gradi centigradi, la scheda elettronica 40 determina la chiusura della valvola gas 26 e l'arresto del ventilatore 23 con conseguente spegnimento del bruciatore 22.

Il ciclo descritto precedentemente si ripete dopo qualche tempo, una volta che la sonda (STI) rileva una temperatura inferiore al set-point impostato di un valore prestabilito.

La pompa di calore 50, a sua volta, comprende un contenitore 51 che racchiude al suo interno la componentistica tipica di una pompa di calore aria/acqua. La pompa di calore 50 comprende, quindi, un compressore (CMP) che comprime ed eleva la temperatura di un fluido frigorigeno (per esempio, R134a Tetraf luoroetano) che transita in un circuito 60.

Tale circuito 60 passa attraverso un primo scambiatore di calore 61, detto "evaporatore" 61, in cui il fluido frigorigeno evapora, passando dalla fase liquida alla fase gassosa. Da tale evaporatore 61 il fluido frigorigeno viene inviato dal compressore (CMP) ad un secondo scambiatore di calore 62, chiamato "condensatore" 62. Nel condensatore 62 il fluido frigorigeno condensa passando dalla fase gassosa alla fase liquida, cedendo calore all'acqua che ritorna dall'impianto di riscaldamento dal condotto 31 (vedi oltre) .

Vantaggiosamente, ma non necessariamente, la camera stagna 21 e il contenitore 51 costituiscono un unico involucro (INV) monoblocco che contiene tutti gli elementi che compongono l'apparecchiatura 100.

Sul circuito 60 del fluido frigorigeno vi anche una valvola di laminazione (adiabatica) 65, che determina la caduta di pressione necessaria e sufficiente a mantenere la pressione del fluido frigorigeno ai valori desiderati all'evaporatore 61 ed al condensatore 62.

Si noti come l'evaporatore 61 e lo scambiatore 25 della caldaia si trovino all'interno dello stesso condotto di adduzione dei fumi 29.

Si noti, inoltre, come il contenitore 51 sia separato dalla camera stagna 21 da una paratia (PRT) su cui vi è una prima apertura (0P1) attraversata dal condotto di adduzione dei fumi 29 prodotti nella caldaia a condensazione 20. Immediatamente a valle di tale prima apertura (OP1) viene realizzata una seconda apertura (OP2), provvista di una serranda 55, attraverso la quale può passare un certo quantitativo di aria ambiente proveniente dal condotto di aspirazione 27 e non passante dal miscelatore 23A.

Inoltre , nella paratia (PRT) vi è anche una terza apertura (OP3) che consente il passaggio del circuito primario 30.

Al di sotto dell'evaporatore 61 si trova una camera di miscelazione 66 tra i gas di combustione provenienti dalla caldaia 20 e da una porzione di aria ambiente che entra dal condotto di aspirazione 27.

La miscela contenuta nella camera di miscelazione 66 viene evacuata nell'atmosfera da un ventilatore 80 attraverso un condotto di evacuazione 81.

E' il ventilatore 80 a determinare la portata dell'aria o della miscela aria/fumi, proveniente dalla camera di miscelazione 66 e che passa attraverso l'evaporatore 61. Difatti, è la potenza sviluppata dal ventilatore 80 a determinare il grado di apertura della serranda 55, che, nel caso specifico, è soggetta soltanto all'effetto della sua forza peso.

Si osservi come sia proprio la serranda 55 a permettere all'aria ambiente entrata nella camera stagna 21 di passare direttamente dal condotto di aspirazione 27 all'ingresso dell'evaporatore 61 by-passando lo scambiatore di calore primario 25 nel caso in cui la caldaia 20 sia spenta oppure nel caso in cui la richiesta di aria da parte del ventilatore 80 sia superiore a quella resa disponibile dalla caldaia 20 sotto forma di prodotti della combustione.

All'interno del contenitore 51 sono previste le seguenti sonde di temperatura:

- (ST2): sonda che serve a misurare, istante per istante, la temperatura dell'acqua nel condotto 31, cioè all'ingresso nell'apparecchiatura 100;

- (ST3): sonda atta alla misurazione della temperatura del fluido frigorigeno all'uscita del compressore (CMP) prima del suo ingresso nel condensatore 62; e

- (ST4): sonda che serve a misurare la temperatura della miscela aria/fumi nella camera di miscelazione 66 prima dello scambio di calore con il fluido frigorigeno che avviene nell'evaporatore 61.

E' importante notare che nell'evaporatore 61 ha luogo lo scambio termico tra la miscela aria/fumi con il fluido frigorigeno che evapora, mentre nel condensatore 62 è l'acqua fredda del condotto 31 a fare condensare tale fluido frigorigeno prima dell'espansione che avviene nella valvola di laminazione (adiabatica) 65.

Il funzionamento dell'intera apparecchiatura 100 oggetto della presente invenzione viene descritto, adesso, con riferimento a due condizioni ambientali esterne ben distinte per chiarire al meglio i principi di funzionamento .

Tali condizioni ambientali sono:

1) temperatura dell'aria esterna superiore a 5°C; e 2) temperatura dell'aria esterna inferiore a 5°C.

E' noto che il rendimento delle pompe di calore è pari al rapporto percentuale fra il loro COP ( "coefficient of performance"; vale a dire il rapporto fra l'energia scambiata al condensatore e l'energia elettrica assorbita dal compressore) e l'efficienza del sistema di produzione elettrica europeo (il cosiddetto CC definito in precedenza; valore che, come abbiamo visto, viene oggi considerato pari a 2,5) maggiorato del 15% per tener conto del consumo elettrico degli altri componenti della pompa di calore; ed in primo luogo del ventilatore utilizzato per spingere l'aria attraverso l'evaporatore 61.

Nelle caldaie a condensazione odierne il rendimento supera almeno il 90%, nel caso di installazione su impianti a bassa temperatura (tipicamente impianti cosiddetti "a pavimento"), e supera almeno l'85% nel caso di installazione su impianti ad alta temperatura (tipicamente impianti cosiddetti "a radiatori") .

La pompa di calore ha rendimenti più elevati della caldaia a condensazione quando, nelle condizioni più sfavorevoli, ha un valore di COP almeno pari a 2,45 in abbinamento con impianti ad alta temperatura e 2,60 in abbinamento con impianti a bassa temperatura.

A titolo esemplificativo consideriamo infatti un impianto di riscaldamento con temperatura media di 70°C.

La caldaia a condensazione operando con quella temperatura media ha un rendimento dell'85%.

Per essere conveniente la pompa di calore deve poter operare in quelle condizioni con COP pari a 2,5 x 1,15 x 0,85 = 2,44. E' noto, altresì, che l'efficienza (il COP) ed il rendimento delle pompe di calore aria/acqua tradizionali è fortemente influenzato dalla differenza di temperatura esistente fra la sorgente fredda disponibile all'evaporatore 61 (vale a dire l'aria esterna) e quella dell'acqua proveniente dal condotto 31 che percorre il condensatore 62.

E' noto che per temperature dell'aria ambiente superiore a 5°C i valori di COP della pompa di calore si mantengono costantemente al di sopra di valori di convenienza precedentemente indicati; e che, pertanto, la pompa di calore risulta essere conveniente rispetto alla caldaia a condensazione.

Quando, viceversa, la temperatura dell'aria ambiente scende al di sotto di 5°C, all'evaporatore si formano brina e ghiaccio conseguenti al congelamento dell'umidità contenuta nell'aria nel momento in cui essa viene a contatto con le pareti fredde dell'evaporatore 61 percorse del gas frigorigeno a temperature minori o uguali a 0°C.

Questo fatto obbliga le pompe di calore ad attuare onerosi cicli di sbrinamento che incidono pesantemente in senso negativo sul rendimento della macchina (nell'ordine del 30%) portandolo al di sotto dei valori di convenienza del 85% e del 90% visti in precedenza.

Dal momento che statisticamente, per larga parte del periodo invernale, nelle regioni del centro e del sud Europa le temperature esterne si trovano a valori maggiori o uguali ai 5°C atti all'ottenimento di rendimenti superiori al 90%, l'apparato funziona con priorità di funzionamento in "modalità pompa di calore".

Esaminiamo per primo il caso in cui l'aria esterna si trova a temperature maggiori o uguali a 5°C.

All'accensione dell'apparecchiatura 100, ad esempio al mattino, avviene quanto segue:

- la pompa (PP) si mette in funzione;

- la sonda di temperatura (STI) misura un valore di temperatura inferiore a quello settato dall'utente sul pannello comandi 45;

la scheda elettronica 40 attiva l'avvio del compressore (CMP) e del ventilatore 80;

- poiché in questa fase il ventilatore 23 è ancora disattivato, il ventilatore 80 richiamerà aria dall'esterno attraverso il condotto di aspirazione 27 e l'apertura (OP2) la cui ampiezza è controllata dalla serranda 55;

- il calore prelevato dall'aria ambiente tramite l'evaporatore 61 viene trasferito al fluido frigorigeno consentendone l'evaporazione;

- il fluido frigorigeno viene elevato in pressione e temperatura dal compressore (CMP) e portato al condensatore 62 ove scambia calore con l'acqua proveniente dall'impianto attraverso il condotto 31, condensando;

- il fluido frigorigeno quindi passa attraverso la valvola di laminazione (adiabatica) 65 diminuendo di pressione e temperatura per poi proseguire nel suo ciclo termodinamico nel modo già descritto; si noti incidentalmente che la valvola di laminazione 65 viene azionata dalla scheda elettronica 40 in modo da mantenere una differenza di temperatura misurata dalle sonde (ST3) e (ST2) ad un valore di alcuni gradi centigradi sufficienti a trasferire calore fra il fluido frigorigeno compresso proveniente dal compressore (CMP) e l'acqua di ritorno dall'impianto attraverso il condotto 31; ed

- una volta raggiunta la condizione di regime da parte della pompa di calore 50, dopo pochi minuti (condi zione determinata dalla taglia del compressore (CMP)) qualora la temperatura di mandata letta dalla sonda (STI) sia inferiore al valore settato dall'utente, la scheda elettronica 40 attiva il ciclo di accensione della caldaia a condensazione 20 descritta in precedenza.

A questo punto la caldaia a condensazione 20 lavora (secondo il ciclo descritto in precedenza) aggiungendo la parte di energia richiesta dall'impianto e non resa disponibile dalla pompa di calore 50.

Logicamente, qualora la taglia del compressore non sia limitata dalla disponibilità di energia elettrica, la caldaia non si mette mai in funzione.

Esaminiamo ora il caso in cui l'aria esterna si trova a valori minori o uguali a 5°C.

Come enunciato in precedenza, con queste temperature dell'aria esterna le pompe di calore diminuiscono sensibilmente il loro rendimento portandolo a valori inferiori a quelli ottenibile utilizzando soltanto la caldaia a condensazione.

Ciò deriva dall'aumento del salto di temperatura (e quindi anche di pressione) fra evaporazione e condensazione del fluido frigorigeno e, soprattutto (come illustrato in precedenza) dalla necessità di introdurre cicli di sbrinamento dell'evaporatore determinati dall'esigenza di eliminare il ghiaccio che si forma sull'evaporatore per il congelamento dell'umidità contenuta nell'aria.

Per evitare questi inconvenienti l'apparecchiatura 100 oggetto della presente invenzione lavora mettendo in funzione contemporaneamente la pompa di calore 50 e la caldaia a condensazione 20 in misura sufficiente affinché i fumi provenienti dallo scambiatore di calore primario 25 miscelandosi nella camera di miscelazione 66 con l'aria esterna che ha attraversato l'apertura (OP2) portino la temperatura di evaporazione all'interno dell'evaporatore 61 a valori superiori a 0°C.

In questo secondo caso, all'accensione dell'apparecchiatura 100, ad esempio al mattino, avviene quanto segue:

- la pompa (PP) si mette in funzione;

- la sonda di temperatura (STI) misura un valore di temperatura inferiore a quello settato dall'utente sul pannello comandi 45;

- la scheda elettronica 40 attiva l'avvio del compressore (CMP) e del ventilatore 80;

- la sonda di temperatura (ST4) rileva valori di temperatura dell'aria inferiori a 5°C e, pertanto, la scheda elettronica 40 attiva l'accensione della caldaia a condensazione 20 al fine di fornire energia sufficiente ad elevare la temperatura della miscela aria/fumi nella camera di miscelazione 66 al di sopra di 5°C;

- una volta raggiunta la condizione di regime della pompa di calore 50 determinata dalla taglia del compressore (CMP), dopo pochi minuti, qualora la temperatura dell'acqua letta dalla sonda (ST2) sia inferiore al valore settato dall'utente, la scheda di regolazione 40 forzerà la caldaia a condensazione 20 a fornire maggiore potenza; ed

- a questo punto la pompa di calore 50 e la caldaia a condensazione 20 lavoreranno contemporaneamente (secondo i cicli descritti in precedenza) con priorità di funzionamento della pompa di calore 50, con la caldaia 20 attivata per impedire che l'evaporazione avvenga al di sotto dei 5°C e, se necessario, anche per compensare l'eventuale insufficienza della pompa di calore 50 a fornire la potenza richiesta dall'impianto di riscaldamento.

La caldaia a condensazione 20 contribuisce in due modi ad innalzare il rendimento complessivo dell'apparecchiatura 100:

a) fornendo energia termica, che diversamente andrebbe dispersa nell'aria, direttamente all'evaporatore 61;

b) elevando il COP, e quindi anche il rendimento della pompa di calore 50, grazie all'incremento della temperatura media di evaporazione. Difatti i prodotti della combustione provenienti dallo scambiatore di calore primario 25 si miscelano nella camera di miscelazione 66 con l'aria ambiente proveniente dall'esterno fornendo calore all'evaporatore 61 della pompa di calore 50 sia sotto forma di calore sensibile (poiché i fumi escono dallo scambiatore da calore primario 25 a valori di temperatura normalmente compresi fra 40°C e 70°C; quindi superiori alla temperatura dell'aria esterna), sia sotto forma di calore latente, in quanto i fumi contengono una certa quantità di vapore acqueo che, condensando, cede calore all'evaporatore 61.

Gli aspetti caratterizzanti e vantaggiosi dell'apparecchiatura oggetto della presente invenzione sono di tipo costruttivo e prestazionale.

Dal punto di vista prestazionale si evidenzia che il funzionamento contemporaneo della caldaia a condensazione e della pompa di calore rende possibile il recupero integrale dell'energia residua contenuta nei fumi esausti provenienti dalla caldaia e la sua re-immissione nell'acqua dell'impianto grazie all'incremento di temperatura generato dalla pompa di calore; rende inoltre possibile e conveniente lo sfruttamento dell'energia contenuta nell'aria prelevata dall'esterno e preriscaldata, tramite miscelazione con i fumi provenienti dalla caldaia, al di sopra di 5°C in modo da ottenere l'evaporazione del gas frigorigeno al di sopra di 0°C.

Dal momento in cui la caldaia a condensazione 20 si mette in funzione viene resa disponibile all'evaporatore 61 una certa quantità di prodotti della combustione (fumi) aventi un contenuto di energia sotto forma di calore sensibile e latente non più trasferibili all'acqua dell'impianto per la loro temperature insufficiente, ma trasferibili al fluido frigorigeno tramite l'evaporatore 61 e successivamente trasferibili all'acqua dell'impianto tramite il condensatore 66 grazie alla maggiore temperatura raggiunta.

Dal punto di vista costruttivo si evidenzia che la miscelazione aria/fumi consente l'utilizzo di un solo condotto di aspirazione 27 dell'aria e di un solo condotto di espulsione dell'aria e dei fumi 81 a servizio sia della caldaia a condensazione 20 che della pompa di calore 50, e quindi, in definitiva, dell'intera apparecchiatura 100.

Si evidenzia, inoltre, che lo stesso requisito consente la realizzazione agevole di una apparecchiatura 100 monoblocco nella quale i due dispositivi, caldaia a condensazione 20 e pompa di calore 50 sono integrati all'interno dello stesso involucro in cui sono presenti tutti i dispositivi funzionali, di regolazione e di controllo dell'apparecchiatura 100 stessa, agevolando in tal modo sia il montaggio da parte dell'installatore che la regolazione da parte dell'utilizzatore.

Comprensibilmente, al diminuire della temperatura dell'aria esterna, diminuisce progressivamente la quantità di aria prelevata direttamente dall'esterno e miscelata con in fumi della caldaia in modo da evitare la discesa della temperatura della miscela aria/fumi al di sotto di 5°C (soglia critica al di sotto della quale occorre effettuare, come già illustrato, cicli di sbrinamento), diminuendo in tal modo progressivamente il vantaggio di rendimento dell'apparato rispetto alla sola caldaia a condensazione senza però mai annullarlo.

Secondo una ulteriore forma di attuazione della presente invenzione illustrata in figura 2, in cui gli elementi corrispondenti sono indicati con gli stessi numeri e sigle della figura 1, la serranda 55, viene azionata da un attuatore 75 anziché essere azionata unicamente dalla differenza di pressione esistente fra le sue due facce.

Questa seconda soluzione consente di:

- aumentare il grado di apertura della serranda 55 a valori superiori a quelli derivanti dal rapporto esistente tra il peso proprio e la differenza di pressione esistente fra le sue due facce;

- diminuire le dimensioni e la potenza del ventilatore 80 non più deputato a generare la differenza di pressione necessaria a determinare l'apertura della serranda 55;

- determinare un rapporto aria/fumi nella camera di miscelazione 66 indipendente dalla portata d'aria dei due ventilatori 23 e 80; ed

- individuare il valore di temperatura della miscela aria/fumi idoneo ad ottenere il migliore COP ( "coefficient of performance") possibile per la pompa di calore 50.

La scheda elettronica 40 di regolazione e controllo determina il grado di apertura della serranda 55 in funzione dello stato di funzionamento dell'apparecchiatura 100, ad esempio determinandone l'apertura totale in fase di avviamento, ed in funzione del valore di temperatura rilevato dalla sonda (ST4).

La terza forma di attuazione della presente invenzione illustrata in figura 3 si riferisce ad un'ulteriore variante costruttiva dell'apparecchiatura 100.

In tale apparecchiatura 100 lo scambiatore di calore primario 25 della caldaia 20 e l'evaporatore 61 della pompa di calore 50 sono fisicamente sovrapposti l'uno all'altro e sono inseriti all'interno di un unico involucro 21*.

In questa forma attuativa tra lo scambiatore di calore primario 25 e l'evaporatore 61 sono collocate due serrande 55*, 55** che regolano l'afflusso di aria ambiente verso l'evaporatore 61 by-passando la caldaia a condensazione 20. Questa soluzione consente di ottenere, oltre ad una notevole riduzione della larghezza dell'intera apparecchiatura 100, anche una notevole semplificazione costruttiva derivante dal fatto di realizzare, in un unico componente, entrambi gli scambiatori di calore 25, 61.

Vale la pena di osservare, infine, che anche queste serrande 55*, 55** possono essere azionate o dalla depressione creata da un ventilatore 80, oppure da un attuatore (non mostrato) dello stesso tipo illustrato in figura 2.

In figura 4 è stato rappresentato, sotto forma di curve, l'andamento dei rendimenti delle varie opzioni impiantistiche in funzione della temperatura esterna dell'aria nel caso di un impianto di riscaldamento a radiatori (impianti ad alta temperatura) . La potenza complessiva dell'apparecchiatura 100 è di 6kW, valore che può essere considerata la potenza media installata in un normale appartamento.

In particolare:

- la curva tratto e punto rappresenta l'andamento dei rendimenti in funzione delle temperature esterne dell'aria nel caso di una semplice caldaia a condensazione;

la curva tratteggiata rappresenta la soluzione conosciuta nell'arte anteriore di una apparecchiatura comprendente una caldaia a condensazione ed una pompa di calore, in cui, però, i fumi prodotti dalla caldaia a condensazione non vengono inviati all'evaporatore della pompa di calore; e

- la curva continua rappresenta la soluzione oggetto della presente invenzione; cioè quando l'apparecchiatura di riscaldamento comprende una caldaia a condensazione ed una pompa di calore, in cui i fumi prodotti dalla caldaia a condensazione vengono inviati all'evaporatore della pompa di calore.

Come si può osservare:

- per valori della temperatura esterna superiori a 5°C, quando opera esclusivamente la pompa di calore, i valori di efficienza superano anche di gran lunga quelli della caldaia a condensazione e coincidono in entrambe le due ultime soluzioni precedentemente elencate;

- per valori di temperatura esterna inferiori a 5°C, nel sistema tradizionale la pompa di calore viene disattivata a vantaggio dell'attivazione della sola caldaia a condensazione; e pertanto i rendimenti coincidono con quelli della caldaia a condensazione; mentre, nella soluzione oggetto della presente invenzione il recupero di calore dai fumi consente di ottenere un incremento di rendimento compreso fra un minimo di 4 punti (con temperatura esterna di -5°C) ed un massimo di 15 punti (con temperatura esterna di poco inferiore a 5°C).

In figura 5 è stato rappresentato sotto forma di curve l'andamento dei rendimenti delle varie opzioni impiantistiche in funzione della temperatura esterna dell'aria nel caso di un impianto di riscaldamento a pavimento (impianti ad alta temperatura). Anche in questo caso la potenza complessiva dell'apparecchiatura 100 è di 6kW.

Per contrassegnare le tre curve di figura 5 si è utilizzato lo stesso sistema adottato in figura 4.

Dall'osservazione di figura 5 si evince che:

- per valori della temperatura esterna superiori a 5°C, quando opera esclusivamente la pompa di calore, i valori di efficienza superano anche di gran lunga quelli della caldaia a condensazione e coincidono con entrambe le soluzioni;

- per valori di temperatura esterna inferiori a 5°C, nel sistema tradizionale (curva tratteggiata) la pompa di calore viene disattivata a vantaggio dell'attivazione della sola caldaia a condensazione (curva tratto e punto); e pertanto i rendimenti coincidono con quelli della caldaia a condensazione; mentre, nella soluzione oggetto della presente invenzione (curva continua) il recupero di calore dai fumi consente di ottenere un incremento di rendimento superiore a quanto visto con impianto ad alta temperatura (figura 4) e compresi fra un minimo di 7 punti ed una massimo di 41 punti con valori della temperatura esterna di poco inferiore a 5°C.

Si è constatato sperimentalmente che risultati analoghi si ottengono prendendo in considerazione valori di potenza diversi dai 6,0 kW, e variabili in un campo da 2,0 a 9,0 kW; valori compatibili con quelli richiesti nella stagione invernale per il tipo di una unità abitativa di media grandezza.

Si è constatato infine che, prendendo in considerazione i seguenti valori statistici:

- di temperatura dell'aria ambientale esterna;

- di temperatura degli impianti di riscaldamento; e - di potenza utilizzati per soddisfare i fabbisogni di riscaldamento relativi all'Europa centro-meridionale,

si ottengono incrementi di rendimento annuali (e quindi minori consumi di energia primaria ottenuta da combustibili fossili) dell'ordine del 10% nel caso di impianti di riscaldamento a radiatori, ad alta temperatura, ed del 20% nel caso di impianti di riscaldamento a bassa temperatura, a pavimento.

Il principale vantaggio della presente invenzione è costituito dal fatto che la presente apparecchiatura è realizzata in un monoblocco ottenuto da una completa integrazione di una caldaia a condensazione e di una pompa di calore aria/acqua, con un solo condotto di aspirazione dell'aria ambiente ed un solo condotto di evacuazione della miscela fumi/aria ambiente, in grado di ottenere rendimenti superiori a quelli ottenibili dall'uso alternativo o simultaneo dei due dispositivi (attuale stato dell'arte), di semplice installazione per l'installatore e di semplice utilizzo per l'utilizzatore.

Claims (10)

1. RIVENDICAZIONI 1. Apparecchiatura di riscaldamento (100) comprendente una caldaia a condensazione (20) ed una pompa di calore (50) con l'acqua del circuito primario (30) che attraversa il condensatore (62) di detta pompa di calore (50) ed è successivamente riscaldata, inoltre, dai prodotti della combustione generati in detta caldaia a condensazione (20); apparecchiatura (100) caratterizzata dal fatto che nell'evaporatore (61) di detta pompa di calore (50) avviene lo scambio termico tra i fumi esausti provenienti dalla caldaia a condensazione (20), da una parte, con il fluido frigorigeno della pompa di calore (50), dall'altra, e successivamente avviene lo scambio termico, a temperatura più elevata all'interno del condensatore (62), tra il fluido frigorigeno, da una parte, e l'acqua del circuito primario (30), dall'altra.
2. 2. Apparecchiatura (100), come rivendicato alla rivendicazione 1, caratterizzata dal fatto che i fumi esausti prodotti in detta caldaia a condensazione (20) sono miscelati con aria ambiente in una camera di miscelazione (66).
3. 3. Apparecchiatura (100), come rivendicato alla rivendicazione 2, caratterizzata dal fatto che l'evaporatore (61) di detta pompa di calore (50) è posto a valle di detta camera di miscelazione (66).
4. Apparecchiatura (100) come rivendicato alla rivendicazione 3, caratterizzata dal fatto di comprendere mezzi (55, 75; 55*, 55**) per consentire la variazione di composizione della miscela fumi/aria ambiente.
5. 5. Apparecchiatura (100), come rivendicato alla rivendicazione 4, caratterizzata dal fatto che detti mezzi (55, 75; 55*, 55**) comprendono almeno una serranda (55; 55*, 55**) il cui grado di apertura/chiusura è determinato dalla propria forza peso e dal grado di depressione realizzato da un ventilatore (80) posto in detta pompa di calore (50).
6. 6. Apparecchiatura (100), come rivendicato alla rivendicazione 4, caratterizzata dal fatto che detti mezzi (55, 75; 55*, 55**) comprendono almeno una serranda (55; 55*, 55**) il cui grado di apertura/chiusura è determinato dall'azione di mezzi attuatori (75) comandato da una scheda elettronica (40) a sua volta controllata da mezzi elettronici di comando e controllo (45).
7. 7. Apparecchiatura (100), come rivendicato in una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzata dal fatto che lo scambiatore di calore primario (25) della caldaia (20) e l'evaporatore (61) della pompa di calore (50) sono fisicamente sovrapposti l'uno all'altro.
8. 8. Apparecchiatura (100), come rivendicato in una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzata dal fatto che una camera stagna (21) della caldaia (20) abbinata ad un contenitore (51) della pompa di calore (50) costituiscono un unico involucro (INV; 21*) monoblocco, il quale contiene sostanzialmente tutti gli elementi funzionali compresi in detta apparecchiatura (100) stessa.
9. 9. Apparecchiatura (100), come rivendicato alla rivendicazione 8, caratterizzata dal fatto di prevedere un solo condotto di aspirazione (27) dell'aria ambiente ed un solo condotto di evacuazione (81) della miscela fumi/aria ambiente.
10. 10. Apparecchiatura (100), come rivendicato in una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzata dal fatto di comprendere un solo sifone (36) per lo scarico della condensa proveniente sia dallo scambiatore di calore primario (25) della caldaia a condensazione (20), che la condensa proveniente dall'evaporatore (61) della pompa di calore (50).