ITGE20120038A1 - Metodo di impiego di tubi metallici non coibentati come collettori di energia solare e ambientale abbinati a sistemi a pompa di calore. - Google Patents
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Description
DESCRIZIONE dell’invenzione industriale avente per titolo: "METODO DI IMPIEGO DI TUBI METALLICI NON COIBENTATI COME COLLETTORI DI ENERGIA SOLARE E AMBIENTALE ABBINATI A SISTEMI A POMPA DI CALORE" a nome di :
TESTO DELLA DESCRIZIONE
a) Campo della tecnica a cui l'invenzione là riferimento,
l a presente invenzione riguarda un sistema di captazione del l<'>energia solare per usi termici e di sfruttamento del l'energia disponibile dall'ambiente basato sulla installazione di tubi metallici "nudi” (cioè no coibentati) in esterno, come ad esempio su ringhiere o balconi, coperture, tetti di editici o tettoie, abbinati per il loro funzionamento a sistemi a pompa di calore acquaacqua od acqua-aria. I.a funzione di questi sistemi è quella del riscaldamento invernale c della produzione di acqua calda sanitaria, come per le varie tipologie di pannelli solari termici attualmente disponibili nella tccnicacorrente.
L<'>impiego di tali tubazioni c tanto più efficace quanto più la superficie di appoggio o la copertura sia costituita da lastre in materiali buoni conduttori del calore (per esempio coperture in rame) e le tubazioni vengano installate in stretto eontatto termico con la superficie stessa, in modo da godere daH'adduzionc supplementare di calore ("effetto aletta") offerto dalle porzioni di lastra adiacenti alle tubazioni stesse.
Data la forte dispersione di calore per convezione cd irraggiamento dalle tubazioni verso l'ambiente esterno, la soluzione della presente int enzione va accoppiala con pompe di calore, con temperature dell'acqua nelle tubazioni (equivalenti nella loro funzione a pannelli solari) opportunamente regolate, mediante il sistema a pompa di calore, in funzione delle condizioni ambientali (radiazione solare, temperatura ed umidità dell'aria ambiente) e dei fabbisogni termici dell'utenza (si intendono qui per ''fabbisogni” i consumi energetici termici dell<'>utenza e le relative temperature di mandata necessarie per il loro utilizzo). L'uso di questa tipologia di soluzioni impiantistiche è anche noto, in letteratura, con il nome di sistemi a pompa di calore elio-assistita.
In quanto segue e nell'esempio di applicazione si farà riferimento, per chiarezza espositiva ma non per qeusto in via esclusiva, al caso delle coperture,
b) Stato della tecnica preesistente.
L'uso di pannelli solari termici, sia piani sia a concentrazione, è ampiamente noto fin dai primi anni '70, quando cominciarono a svilupparsi anche in Italia i primi brevetti sull’argomento per sistemi e componenti relativi alla funzionali (per esempio il primo brevetto MI1980A019027 del 04.01.1980, cui seguono numerosi brevetti su pannelli solari, lino al più recente VR2012A000032 dei 23.02.2012). Esistono anche in commercio molle soluzioni di tubazioni "nude” in materiale plastico o polimerico che si possono semplicemente stendere sul terreno per il riscaldamento delle piscine o per la produzione dell<’>acqua tiepida per le docce estive, ma queste sono caratterizzate da bassissimi rendimenti di captazione, a causa delle forti dispersioni termiche che si verificano non appena la temperatura dell<'>acqua sale di qualche decina di gradi sopra la temperatura ambiente. Queste non sono dunque assolutamente adatte per l<’>impiego nel riscaldamento invernale, soprattutto in presenza di scarsa insolazione. Per ovviare a questo inconveniente si adotta la soluzione proposta in questo brevetto, di accoppiamento delle tubazioni metalliche con sistemi a pompa di calore tipo acquaacqua o acqua-aria.
Sul fronte dei sistemi a pompa di calore elio-assistita esistono molti studi sia sui sistemi ad espansione diretta, che utilizzano il pannello solare come evaporatore di un impianto a ciclo inverso a compressione di vapore (una ampia rassegna è disponibile per esempio nel lavoro K.J. Chua *, S.K. Chou, W.M. Yang, Advances in ficai pump systems: A review in Applied Energy 87 - 2010 - pagine 3611-3624), sia come sistcmi acqua-acqua abbinati a pannelli solari di tipo tradizionale. Una ampia rassegna di possibilità e di alternative impiantistiche che sfruttino le energie rinnovabili per sistemi di climatizzazione negli usi finali (Sistemi di climatizzazione estiva ed inventale assistita da fonti rinnovabili) è stato recentemente svolto dall'ENEA per conto del Ministero Italiano dello Sviluppo Economico (L. Rubini. M. Di Vcroli, G. Habib, M. Lavra, Studio Siil/u Applicabilità Di Sistemi E Componenti Assistiti Da Fonti Rinnovabili, Report RdS 2010(208, ENEA, 2010).
Da tale studio emerge che, per quanto seriamente prese in considerazione, le soluzioni impiantistiche a pompa di calore elio-assistita sono ancora nello stadio precompetitivo, sia perché i costi di installazione sono piuttosto elevati, sia perché non sono ancora del tutto chiari i criteri di regolazione che possano renderne massima l'efficienza, in condizioni di carico termico (solare c dell’utenza) fortemente variabili nel tanpo. Esistono infine soluzioni di integrazione edilizia in cui elementi costruttivi (tetto con tegole o altro elemento esterno di copertura con sottostante pannello costituito da elementi captanti ad acqua calda e materiale isolante termico) sono preasscmblate in moduli costruttivi che possono essere installati direttamente nella fase di costruzione del tetto (ad esempio brevetto T02008A000641 del 27.012012).
Mentre non risultano documentate soluzioni di installazione di tubazioni metalliche di tipo standard stese direttamente sulla copertura o nelle parti architettoniche esterne per estensioni significative, tanto meno in accoppiamento con sistemi a pompa di calore, tutte le soluzioni prima citate sono costituite da elementi (pannelli solari) pre-assemblali con opportuni sistemi di coibentazione ed isolamento (superfìci vetrate singole o doppie, tubi sotto vuoto, pannelli prefabbricati per la copertura, ete.) che presentano i seguenti svantaggi:
- Scarsa flessibilità nelle installazioni, che prevedono sempre che il costruttore si adatti, per quanto sulla base di schemi di istallazione ben dettagliati e semplici da seguire, alla modularità precostituita del pannello solare:
- Possibilità di utilizzare soltanto porzioni limitate delle coperture per questioni di peso e di ingombro;
- Elevato costo dei pannelli;
- Scarse possibilità di utilizzare validamente i pannelli solari anche per riscaldamento invernale, oltre che per produzione di acqua calda sanitaria (le soluzioni a tubi sotto vuoto sono certamente una possibile alternativa, che risolverebbe tuttavia il problema soltanto parzialmente, con costi ancora piuttosto elevati e coperture percentuali dei fabbisogni termici dell’utenza soltanto parziali);
- I.'uso di tubazioni o pannelli “nudi” (particolarmente economici perché non dispongono di sistemi vetrati o sottovuoto di isolamento dairambientc esterno) presentano efficienza di captazione troppo bassa per avere un ritorno energetico od economico sufficientemente interessanti;
- L'uso di tubazioni in materiale polimerico, proposte anche in altri settori quali ad esempio il geotermico e per alcune soluzioni particolari di pannelli solari (piccole piscine, sistemi per doccia in applicazioni balneari, etc.) non è adatto ad installazioni di grandi estensioni sulle coperture, data la velocità di invecchiamento dei materiali plastici quanto esposti agli agenti atmosferici e le grandi dilatazioni termiche abbinate;
c) L'invenzione proposta, che mira pertanto ad offrire una possibile soluzione ai problemi prima citati, prevede una tecnica di captazione dell'energia solare cd ambientale basata sulla realizzazione di un impianto di riscaldamento solare in cui gli elementi captanti sono costituiti da una serie di tubazioni metalliche (1 ) installate sopra il tetto (4) di un edificio od altro elemento architettonico di copertura con ampia superficie esposta al sole, opportunamente connesse in serie cd in parallelo mediante collettori (2) e sistemi di raccordo (3), in cui viene fatta scorrere l’acqua dell’impianto, dotato di eventuali accumuli termici (6). Per migliorare l'effetto captante nel caso in cui la copertura sia costituita con lastre di materiale buon conduttore del calore, lo sfruttamento deU’<M>effetto aletta” verrà garantito mediante l'utilizzo di ancoraggi adeguati (5), che potranno essere ricavati anche direttamente nelle giunzioni delle tubazioni realizzale durante la posa in opera. Normalmente le tubazioni ( 1 ) sono disposte a coppie per facilitare l<'>installazione tra gli eventuali sistemi di aggancio della copertura, come evidenziato nella Figura 4 di Tavola 1 (tavola unica).
La circolazione di acqua neirimpianto pone solitamente problemi di correnti galvaniche e di corrosione nelle tubazioni, soprattutto se queste sono esposte agli agenti atmosferici e sono collegate elettricamente al resto degli impianti dell<'>editicio.
l<'>uso di tubi un ferro o in rame porta difficoltà di varia natura dovuta ai costi, alla pesantezza, alla eccessiva rigidezza delle tubazioni da installare, nonché a problemi di corrosione c correnti galvaniche: per migliorare la funzionalità delle tubazioni e per facilitante l'installazione viene qui anche proposta, come soluzione applicativa, l<'>installazione di tubi metallici particolari quali il tubo BIMETAL rame-ferro (7) (brevetto europeo Bundy Reffigcration, "bimetal tube” application n. 11 250298.4 del 11.32011, Bruxelles, pending) L<'>uso infine di tubazioni a sezione circolare o rettangolare pone dei limiti all<'>efficacia di scambio termico: la soluzione a questo problema è ottenuta con l'uso di tubazioni alettate, cd in particolare il tubo BUNDY WINGF.D (8) (brevetto europeo Bundy Reffigcration. "vvinged tube” application n. 08 855 568.5 del 28.11.2008, Bruxelles, pending). Quest'ultimo offre tra gli altri anche il grande vantaggio di presentare una superficie esterna captante molto estesa rispetto al tubo circolare a parità di volume, e quindi garantisce un buon funzionamento anche nel caso in cui la copertura sia realizzata con materiali non metallici a bassa conduttività termica.
Per uno sfruttamento adeguato di questo metodo di impiego dei tubi metallici, ed in particolare le due citate tipologie di tubo bi-metai e winged. occorre abbinare un impianto a pompa di calore acqua-acqua oppure acqua-aria, opportunamente regolato in temperatura ed integrato con gli altri impianti dell'edificio. Infatti in caso di bassa temperatura ambiente od in caso di scarsa insolazione l'uso di tubi "nudi" direttamente al posto dei pannelli solari termici tradizionali comporta rendimenti di captazione dell'energia solare estremamente bassi, oppure temperature dell'acqua prodotta non sufficienti al loro corretto utilizzo.
Grazie all'impiego della pompa di calore, con acqua sul lato freddo (l’evaporatore negli impianti a compressione di vapore), i tubi sulla copertura o elementi architettonici esterni potranno essere eventualmente mantenuti a temperature operative anche inferiori a quella ambiente, acquisendo cosi anche una funzione polivalente per sfruttare una o più delle seguenti fonti energetiche ambientali:
- I. 'irraggiamento solare
- L'irraggiamento ambientale
- La convezione con l’aria ed il vento
- La convezione con l<'>acqua della pioggia
- La potenza termica ottenibile dalla condensazione del vapor d'acqua presente nell'aria umida dell'ambiente esterno.
Nella applicazioni in cui sia possibile che le temperature operative scendano al di sotto degli ()°C. l<'>acqua andrà sostituita ed integrata con opportuno fluido antigelo.
d) Per la descrizione della presente invenzione vengono utilizzate le 4 figure riportate nella tavola unica in allegato (Tavola 1 1 ).
La f igura 1 riporta lo schema generale del metodo di utilizzo delle tubazioni metalliche sulla copertura nel caso di pompa di calore acqua-acqua (sono possibili anche soluzioni acquaaria con aria sul lato eondensatore/utenza).
La Figura 2 riporta un esempio di copertura in rame sulla quale sono installate le tubazioni ( 1 ).
La Figura 3 rappresenta il collettore di collegamento (2) dotato di tubetti di raccordo (3), che potranno anche essere differenziati da caso a caso sia nei diametri sia nella distanza tra di loro.
Nella Figura 4 c riportata una sezione parziale del letto tipo, nella quale sono evidenziate le posizioni dei tubi (1) sopra la lastra in rame (4) di copertura, gli eventuali sistemi di utilizzabili bi-metal(7) e winged (8).
e)Ulteriori scopi e vantaggi della presente invenzione appariranno meglio dalla seguente descrizione particolareggiata di alcune forme esecutive deH'inven/ionc; il progettista potrà scegliere, a seconda dei casi, se installare il collettore sopra la falda del tetto (sfruttando cosi anche il collettore stesso come superficie captante) oppure sotto la falda (facilitando così le connessioni idrauliche con il resto deirimpianto).
Se l<'>impianto termo-sanitario a pompa di calore acqua-acqua (9) abbinato è opportunamente dimensionato e regolato con apposito sistema di controllo (10), si possono ottenere apporli energetici fino al 100% del fabbisogno di energia termica di un edificio, inclusi il fabbisogno per acqua calda sanitaria e quello per riscaldamento invernale. Ovviamente la percentuale di copertura del fabbisogno è funzione anche delle condizioni climatiche locali (gradi giorno ed insolazione) della località in cui il trovato viene installato e delle temperature di esercizio richieste dalla tipologia di impianto di riscaldamento presente nell<'>edifìcio (come noto gli impianti che operano a minor temperatura di esercizio sono preferibili).
In altre applicazioni è possibile abbinare il sistema di tubi (1) con un impianto a pompa di calore acqua-aria, per il riscaldamento diretto di locali con ventilazione meccanica.
tubazioni (1 ) sul lato freddo della macchina a pompa di calore. Il funzionamento del tubo metallico installato sulla copertura può essere del tutto analogo a quello dei comuni pannelli solari piani, quando l<'>insolazione è sufficiente: l'energia raggiante solare riscalda il tubo ( I ). che trasmette per conduzione calore all<'>acqua che scorre al suo interno, che deve essere mantenuta a temperatura inferiore a quella del tubo mediante il sistema a pompa di calore acqua-acqua (9) (oppure acqua-aria). Anche la copertura raccoglie energia solare, e può trasmetterla al tubo per contatto se questo è saldamente mantenuto aderente alla superficie mediante gli ancoraggi (5).
Nel caso di bassa insolazione l'impianto può funzionare in maniera analoga ad una pompa di calore tradizionale, mantenendo la temperatura del fluido nei tubi a valori inferiori a quelli della temperatura ambiente. Se la temperatura dei tubi viene mantenuta al di sotto della temperatura di rugiada, si avrà anche condensazione dell<'>umidità ambiente sulla superficie esterna, con ulteriore captazione di energia da parte della tubazione.
La circolazione dell<'>acqua nei tubi è garantita da una o più pompe di circolazione (11) e può essere regolata in modo da garantire le migliori prestazioni del sistema di captazione solare. Sia la pompa di calore (9) sia la pompa di circolazione (11) dovranno essere gestite da apposita centralina di controllo (10) sulla base di un insieme di valori assunti dai parametri operativi ed ambientali, rilevati ad esempio anche con una serie di sonde di temperatura (12), opportunamente predisposte Completa dunque rimpianto descritto un sistema di regolazione ( 10) atto a garantire un rapido adattamento dell’impianto alle condizioni atmosferiche, di insolazione e di energia richieste dall<'>utente, in modo da poter variare con prontezza le condizioni di funzionamento della pompa di calore.
Claims (9)
- RIVENDICAZIONI 1 ) Metodo di impiego di tubi metallici non coibentati come collettori di energia solare e ambientale abbinati a sistemi a pompa di calore acqua-acqua od acqua-aria (con acqua sempre sul lato dei tubi metallici) ed installati su superfici esterne, consistente nell’uso di tubazioni metalliche (1) non coibentate disposte in esterno, per esempio sopra una copertura (4), mediante sistemi di fissaggio (5) connesse idraulicamente mediante collettori (2) e tubazioni di raccordo (3), al lato freddo (evaporatore) di un sistema a pompa di calore (9) dotato o meno di accumuli termici (6) in grado di regolare la loro temperatura di funzionamento mediante un sistema automatico (10) in modo da captare l'energia raggiante del sole (sia direttamente sia indirettamente dalla superficie estesa aderente al tubo) e di sfruttare anche le altre fonti exergetiche ambientali quali l'irraggiamento ambientale, la convezione con l'aria, la convezione con l'acqua della pioggia o la potenza termica ottenibile dalla condensazione del vapore contenuto nell'aria ambiente.
- 2) Metodo secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che le tubazioni metalliche (1) sono costituite da tubi bimetallici, ed in particolare dal tubo (7) Bundy BiMetal (EP patent application n. 11 250 298.4 del 11.03.2011).
- 3) Metodo secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che le tubazioni metalliche (1) sono costituite da tubi alettati, ed in particolare dal tubo (8) Bundy Winged (EP patent application n. 08 855 568.5 del 28.11.2008).
- 4) Impianto realizzato secondo il metodo di cui alla rivendicazione 1, incluse anche le varianti 2 o 3, nel quale il sistema a pompa di calore (9) sia di tipo acqua-acqua.
- 5) Impianto realizzato secondo il metodo di cui alla rivendicazione 1, incluse anche le varianti 2 o 3, nel quale il sistema a pompa di calore (9) sia di tipo acqua-aria, con l’acqua sul lato freddo (evaporatore) connesso alle tubazioni metalliche e Paria sul lato caldo (condensatore) della pompa di calore, verso l’utenza.
- 6) Impianto secondo una qualsivoglia delle rivendicazioni 4 o 5, nel quale il tubo metallico sia utilizzato da solo (disposto all’esterno) o in abbinamento a qualsivoglia elemento architettonico con superficie esposta al sole in grado di captare anche energia solare.
- 7) Impianto secondo una qualsivoglia delle rivendicazioni 4, 5 o 6, nel quale siano installati o meno sistemi di accumulo termico.
- 8) Impianto secondo le rivendicazioni 4,5, 6 o 7, nel quale il sistema a pompa di calore sia del tipo a compressione di vapore.
- 9) Impianto secondo le rivendicazioni 4,5, 6 o 7, nel quale il sistema a pompa di calore sia del tipo ad assorbimento 10) Impianto secondo una o più delle rivendicazioni da 4 a 9, caratterizzato dal fatto che durante il funzionamento la temperatura delle tubazioni (1) dovrà essere mantenuta, mediante opportuno sistema di regolazione (10) agente sul sulla pompa di calore (9) e sul sistema di pompaggio (11), abbastanza vicina a quella ambiente per minimizzare i disperdimenti termici, ma abbastanza elevata da rendere massimo il coefficiente di prestazione (COP) della macchina a pompa di calore, cioè minimo il consumo di energia elettrica (o primaria) per unità di energia termica fornita all’utente.
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