ITMI20090207A1 - NETWORK FOR THE CONTEMPORARY SUPPLY OF HEATING AND COOLING SERVICES - Google Patents
NETWORK FOR THE CONTEMPORARY SUPPLY OF HEATING AND COOLING SERVICESInfo
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- F24F3/06—Air-conditioning systems in which conditioned primary air is supplied from one or more central stations to distributing units in the rooms or spaces where it may receive secondary treatment; Apparatus specially designed for such systems characterised by the arrangements for the supply of heat-exchange fluid for the subsequent treatment of primary air in the room units
Description
“RETE PER LA FORNITURA CONTEMPORANEA DI SERVIZI DI RISCALDAMENTO E RAFFREDDAMENTO†⠀ œNETWORK FOR THE CONTEMPORARY SUPPLY OF HEATING AND COOLING SERVICESâ €
Riassunto dell’invenzione Summary of the invention
Viene descritta una Rete che fornisce contemporaneamente i servizi di riscaldamento e raffreddamento, che ottimizza il consumo energetico per l’utilizzo specifico di ciascun utente ed à ̈ in grado di operare sempre con la massima efficienza energetica al variare degli utilizzi. Questa Rete utilizza acqua proveniente da una sorgente a temperatura relativamente costante e tale da essere convenientemente utilizzata per cedere o ricevere calore, come ad esempio acqua di falda, acqua del mare, di grandi laghi, acque industriali, ecc. e sistemi che utilizzano quest’acqua per la produzione di caldo o di freddo, in genere pompe di calore impiegabili in modo reversibile, installati presso gli utenti e produce, nell’acqua utilizzata, la minima differenza di temperatura possibile tra il prelievo e lo scarico a parità di portata. A network is described that simultaneously provides heating and cooling services, which optimizes energy consumption for the specific use of each user and is able to always operate with maximum energy efficiency as the uses vary. This network uses water coming from a source at a relatively constant temperature and such as to be conveniently used to transfer or receive heat, such as groundwater, sea water, water from large lakes, industrial waters, etc. and systems that use this water for the production of heat or cold, generally heat pumps that can be used reversibly, installed at the users and produces, in the water used, the minimum possible temperature difference between the withdrawal and discharge with the same flow rate.
La Rete à ̈ costituita da due tubazioni collegate entrambe alla pompa di prelievo e allo scarico (che può essere nella sorgente stessa o per altro utilizzo); la prima tubazione à ̈ utilizzata per il prelievo dell’acqua destinata alla produzione di calore e per ricevere gli scarichi dell’acqua utilizzata per la produzione di freddo, la seconda per gli utilizzi opposti. The Network consists of two pipes connected both to the sampling pump and to the discharge (which can be in the source itself or for other uses); the first pipe is used for the withdrawal of the water destined for the production of heat and to receive the discharges of the water used for the production of cold, the second for opposite uses.
Per maggiore chiarezza, chiamando le due tubazioni A e B, l’acqua prelevata per la produzione di calore à ̈ prelevata sempre dalla tubazione A e scaricata in B, mentre l’acqua utilizzata per la produzione di freddo à ̈ prelevata sempre dalla tubazione B e scaricata in A. For greater clarity, by calling the two pipes A and B, the water withdrawn for the production of heat is always taken from pipe A and discharged in B, while the water used for the production of cold is always withdrawn from the pipe B and discharged in A.
Al fine di minimizzare i consumi per il trasporto dell’acqua, queste tubazioni sono alimentate preferibilmente da una pompa di prelievo a portata variabile. Inoltre, al fine di garantire la massima efficienza energetica complessiva in ogni condizione di utenza, le tubazioni sono utilizzate alternativamente in modo automatico per l’alimentazione dell’acqua dalla sorgente e lo scarico dell’acqua prelevata. Il senso di circolazione dell’acqua à ̈ variato automaticamente in modo da garantire che l’acqua, prelevata dalla sorgente, venga alimentata nella tubazione utilizzata per il prelievo di acqua dagli impianti per la produzione di calore, quando l’energia estratta dalla Rete da questi impianti à ̈ maggiore di quella ceduta alla Rete dagli impianti che producono freddo e nella tubazione utilizzata per il prelievo dell’acqua dagli impianti per la produzione di freddo in caso contrario. In order to minimize consumption for the transport of water, these pipes are preferably fed by a sampling pump with variable flow. Furthermore, in order to guarantee maximum overall energy efficiency in all user conditions, the pipes are used alternately in an automatic way for the supply of water from the source and the discharge of the water drawn. The direction of water circulation is automatically varied in order to ensure that the water, taken from the source, is fed into the pipe used for drawing water from the heat production plants, when the energy is extracted from the network by these plants is greater than that sold to the network by the plants that produce cold and in the pipeline used for drawing water from the plants for the production of cold otherwise.
La produzione di calore o freddo può essere ottenuta mediante pompe di calore reversibili o impianti di altro tipo, installate presso gli utenti, associate a una pompa dimensionata, in funzione dell’acqua da loro richiesta. The production of heat or cold can be obtained by means of reversible heat pumps or other types of systems, installed at the users' premises, associated with a pump sized according to the water they require.
Nella configurazione preferita il Sistema à ̈ costituito da due tubi collegati entrambi all’alimentazione e allo scarico mediante un sistema di valvole che permette di utilizzare alternativamente per la mandata una tubazione o l’altra in funzione della differenza tra le temperature misurate alla sorgente e allo scarico, alimentati da un sistema di pompaggio a portata variabile che mantiene la pressione minima richiesta dalla rete e collegati tra loro alle estremità opposte in modo da permettere una circolazione minima predefinita anche in assenza di utilizzi da parte degli utenti e una migliore miscelazione dei flussi che entrano in ogni tubo. In the preferred configuration, the System consists of two pipes both connected to the supply and to the exhaust by means of a valve system that allows you to alternatively use one pipe or the other for the delivery depending on the difference between the temperatures measured at the source and to the drain, fed by a variable flow pumping system that maintains the minimum pressure required by the network and connected to each other at opposite ends in order to allow a predefined minimum circulation even in the absence of use by users and a better mixing of the flows entering each tube.
Campo dell’invenzione Field of invention
La presente invenzione ha per oggetto una rete a due tubi per la fornitura contemporanea di servizi di riscaldamento e raffreddamento. The present invention relates to a two-pipe network for the simultaneous supply of heating and cooling services.
Con la richiesta di una maggiore qualità della vita nelle abitazioni, uffici od altri edifici, in molte situazioni geografiche à ̈ in forte aumento, oltre alla richiesta del servizio di riscaldamento anche quella del servizio di raffreddamento. With the demand for a higher quality of life in homes, offices or other buildings, in many geographical situations there is a strong increase, in addition to the demand for the heating service also that for the cooling service.
Entrambi questi servizi sono fortemente energivori. Per la riduzione dell’energia richiesta, accanto al miglioramento dell’isolamento termico degli edifici e al recupero di calore nei ricambi di aria, vengono ricercati sistemi energeticamente più efficienti. Inoltre, nella ricerca di questi sistemi, a parità di costo, si cercano quelli che massimizzano l’utilizzo di energie rinnovabili. Both of these services are highly energy-intensive. In order to reduce the energy required, together with the improvement of the thermal insulation of buildings and the recovery of heat in the air exchanges, more energy efficient systems are sought. Furthermore, in the search for these systems, at the same cost, we look for those that maximize the use of renewable energy.
In quest’ottica, dove sono disponibili grandi quantità d’acqua a temperatura relativamente costante, questa viene utilizzata per la produzione di calore mediante pompe di calore, o per la ricezione di calore nel caso del raffreddamento. From this point of view, where large quantities of water are available at a relatively constant temperature, this is used for the production of heat by means of heat pumps, or for the reception of heat in the case of cooling.
La relativa costanza della temperatura dell’acqua nelle stagioni e la maggiore capacità termica, rende enormemente più efficienti questi sistemi, sia nella produzione di calore che di freddo, di quelli che utilizzano aria ambiente. The relative constancy of the water temperature over the seasons and the greater thermal capacity make these systems enormously more efficient, both in the production of heat and cold, than those that use ambient air.
Per il riscaldamento sono diffuse reti di teleriscaldamento, che circolano acqua calda prodotta mediante pompe di calore che utilizzano spesso acqua di falda. Il calore estratto dalla rete nell’unità di tempo à ̈ proporzionale alla differenza di temperatura dell’acqua, tra alimentazione e ritorno, per la portata dell’acqua circolante. L’efficienza energetica (COP: Coefficient Of Performance - Coefficiente di Prestazione) della rete à ̈ data dal rapporto tra l’energia termica ceduta dalla rete ed il totale dell’energia elettrica utilizzata. For heating, district heating networks are widespread, which circulate hot water produced by heat pumps that often use groundwater. The heat extracted from the network in the unit of time is proportional to the difference in water temperature, between supply and return, for the flow rate of the circulating water. The energy efficiency (COP: Coefficient Of Performance - Coefficient of Performance) of the network is given by the ratio between the thermal energy sold by the network and the total electricity used.
Meno diffuse sono le grandi reti di tele raffreddamento, che vengono impiegate in dimensioni più piccole spesso all’interno dello stesso edificio o gruppi di edifici, a causa della maggior difficoltà di circolazione di fluidi molto freddi. In questo caso il COP à ̈ dato dal rapporto tra l’energia termica assorbita e l’energia elettrica utilizzata. Less widespread are the large tele-cooling networks, which are used in smaller dimensions often inside the same building or groups of buildings, due to the greater difficulty of circulation of very cold fluids. In this case the COP is given by the ratio between the absorbed thermal energy and the electrical energy used.
La domanda, sopra illustrata, di caldo e freddo, spesso contemporanea e diversificata tra i vari utenti, rende molto attuale lo studio di reti per la contemporanea fornitura di questi servizi in condizione di massima efficienza energetica, eventualmente associata al minimo consumo d’acqua. Un problema di queste reti à ̈ rappresentato dalla variabilità della richiesta di calore o di freddo in funzione delle stagioni, delle condizioni atmosferiche e dei gusti di ogni singolo utente. The demand, illustrated above, for hot and cold, often simultaneous and diversified among the various users, makes the study of networks for the simultaneous supply of these services in conditions of maximum energy efficiency, possibly associated with minimum water consumption, very current. . A problem with these networks is represented by the variability of the request for heat or cold according to the seasons, atmospheric conditions and the tastes of each individual user.
La presente invenzione riguarda una rete a due tubazioni, che permette l’ottimizzazione, in ogni situazione, dell’efficienza energetica per la contemporanea fornitura di calore e di freddo ottenuti utilizzando pompe di calore o impianti di altro tipo ed acqua a temperatura idonea per entrambi questi utilizzi. Questa situazione si presenta, per esempio, nel caso di utilizzo di acqua di falda o di grandi bacini d’acqua come laghi, mare e acque industriali con temperature relativamente costanti. The present invention relates to a two-pipe network, which allows the optimization, in every situation, of energy efficiency for the simultaneous supply of heat and cold obtained using heat pumps or other systems and water at a suitable temperature. for both of these uses. This situation occurs, for example, in the case of use of groundwater or large water basins such as lakes, sea and industrial waters with relatively constant temperatures.
Tecnica nota Known technique
Le reti più diffuse per il teleriscaldamento che utilizzano pompe di calore sono costituite da una centrale dove à ̈ ubicata la pompa di calore, che utilizza la sorgente d’acqua, spesso la falda, per riscaldare un fluido circolante in due tubi paralleli. Tale fluido, in genere acqua, à ̈ in genere alimentato in un tubo a una temperatura prossima a 90°C, cede calore, mediante scambiatore, ad ogni singolo utente e ritorna alla centrale tramite l’altro tubo a temperatura più bassa di circa 10°C. Il calore totale ceduto dal teleriscaldamento nell’unità di tempo à ̈ proporzionale alla differenza di temperatura tra mandata e ritorno e alla portata di acqua circolante. Teoricamente la stessa rete, opportunamente disegnata, potrebbe essere utilizzata per circolare un fluido freddo utilizzabile per il raffreddamento. Problemi tecnici, connessi con la coibentazione e con la condensazione dell’umidità dell’aria sui punti freddi non rendono in genere diffuso questo utilizzo. Comunque, utilizzando le stesse tubazioni, non potrebbe essere contemporaneo, ma eventualmente solo alternativo in diversi periodi prefissati e uguali per tutti gli utenti. The most widespread networks for district heating that use heat pumps consist of a power station where the heat pump is located, which uses the water source, often the groundwater, to heat a fluid circulating in two parallel pipes. This fluid, generally water, is generally fed into a pipe at a temperature close to 90 ° C, transfers heat, by means of an exchanger, to each individual user and returns to the central via the other pipe at a temperature lower than approximately 10 ° C. The total heat released by district heating in the unit of time is proportional to the difference in temperature between delivery and return and to the flow rate of circulating water. Theoretically, the same network, suitably designed, could be used to circulate a cold fluid that can be used for cooling. Technical problems, connected with the insulation and with the condensation of the air humidity on the cold points do not generally make this use widespread. However, using the same pipes, it could not be simultaneous, but possibly only alternative in different predetermined and equal periods for all users.
Per ovviare a questi inconvenienti il brevetto JP 6058579 utilizza un generatore di acqua calda collegato con uno dei due tubi ed un generatore di acqua fredda, ovvero di uno slurry di acqua e ghiaccio, collegato con l’altro tubo. Gli scambiatori di calore quando vengono utilizzati per riscaldare, prelevano acqua calda dal tubo caldo e la scaricano nel tubo freddo, il senso à ̈ inverso quando vengono utilizzati per prelevare freddo. Questa soluzione può presentare notevoli problemi di efficienza energetica, infatti le temperature dell’acqua scaricata possono peggiorare le temperature dei due fluidi per quanto riguarda le finalità energetiche descritte. To overcome these drawbacks, the JP 6058579 patent uses a hot water generator connected to one of the two pipes and a cold water generator, that is a water and ice slurry, connected to the other pipe. When heat exchangers are used to heat, they take hot water from the hot pipe and discharge it into the cold pipe, the opposite direction when they are used to draw cold. This solution can present considerable energy efficiency problems, in fact the temperatures of the discharged water can worsen the temperatures of the two fluids as regards the energy purposes described.
Un Sistema che permette l’uso dell’acqua di falda come fonte di calore e di freddo, in modo indipendente da parte di ogni singolo utente, à ̈ costituito invece da un acquedotto che porta l’acqua presso ogni utenza, per esempio la rete di distribuzione dell’acqua potabile, per il prelievo dell’acqua e la fognatura per lo scarico in dell’acqua utilizzata. Questa modalità di utilizzo dell’acquedotto ha lo svantaggio di consumare quantità notevoli d’acqua e ridurre la sua disponibilità per i normali usi potabili e sanitari. Per ovviare a questo inconveniente il brevetto US 2006/0213637 A1 (28 settembre 2006) prevede il prelievo di acqua dall’acquedotto per la pompa di calore e la immissione dell’acqua nell’acquedotto stesso. Al fine di evitare il raffreddamento o il riscaldamento eccessivo dell’acqua viene introdotto un sistema che garantisce una portata minima mediante scarico dell’acqua in fognatura. Questo brevetto non risolve però il problema di differenziare il costo dell’acqua utilizzata per fini energetici, che viene re immessa nell’acquedotto, dal costo di quella utilizzata per fini potabili o sanitari, che viene consumata dall’utente. Inoltre può presentare problemi di inquinamento dell’acqua potabile in caso di perdite degli scambiatori. Il brevetto USP 5727621 (17 marzo 1998) risolve questi problemi prelevando l’acqua a monte del misuratore di portata per il prelievo sanitario ed eventualmente misurandola con altro contatore, e scaricandola nell’acquedotto stesso a valle, tramite un secondo sistema di condutture, a monte dell’impianto di potabilizzazione. Sotto l’aspetto energetico questo sistema ha lo svantaggio di ricircolare nell’acquedotto l’acqua utilizzata per la cessione o l’estrazione del calore, pertanto, se si esclude il caso in cui gli utilizzi complessivi per il prelievo di calore sono termicamente identici agli utilizzi per lo scarico di calore, si crea un’inefficienza energetica, in quanto la temperatura dell’acqua varia in senso sfavorevole all’aumento di efficienza. A system that allows the use of groundwater as a source of heat and cold, independently by each individual user, is instead constituted by an aqueduct that brings the water to each user, for for example the drinking water distribution network, for the withdrawal of the water and the sewer for the discharge of the used water. This way of using the aqueduct has the disadvantage of consuming considerable quantities of water and reducing its availability for normal drinking and sanitary uses. To overcome this drawback, the US 2006/0213637 A1 patent (28 September 2006) provides for the withdrawal of water from the aqueduct for the heat pump and the introduction of the water into the aqueduct itself. In order to avoid excessive cooling or heating of the water, a system is introduced which guarantees a minimum flow rate by draining the water into the sewer. However, this patent does not solve the problem of differentiating the cost of water used for energy purposes, which is re-introduced into the aqueduct, from the cost of that used for drinking or sanitary purposes, which is consumed by the user. Furthermore, it can present problems of drinking water pollution in case of leaks from the exchangers. The USP 5727621 patent (March 17, 1998) solves these problems by taking the water upstream of the flow meter for sanitary withdrawal and possibly measuring it with another meter, and discharging it into the aqueduct itself downstream, through a second system of pipes , upstream of the drinking water treatment plant. From an energy point of view, this system has the disadvantage of recirculating the water used for the transfer or extraction of heat in the aqueduct, therefore, if we exclude the case in which the overall uses for the withdrawal of heat they are thermally identical to the uses for discharging heat, energy inefficiency is created, as the water temperature varies in an unfavorable direction to the increase in efficiency.
L’impiego di pompe di calore e di impianti frigoriferi collegate a due tubi, ma che utilizzano lo stesso tubo per il prelievo e lo stesso tubo per lo scarico, non possono beneficiare della maggior efficienza derivante dall’utilizzo dell’acqua più fredda, scaricata dalla pompa di calore che produce caldo, da parte della pompa di calore che produce freddo e viceversa. The use of heat pumps and refrigeration systems connected to two pipes, but which use the same pipe for withdrawal and the same pipe for discharge, cannot benefit from the greater efficiency deriving from the use of more water. cold, discharged from the heat pump which produces heat, by the heat pump which produces cold and vice versa.
Qualora invece si utilizzasse, per il prelievo dell’acqua utilizzata dagli impianti che producono calore, lo stesso tubo utilizzato per lo scarico dell’acqua più calda proveniente dagli impianti che producono freddo, e viceversa, si avrebbe un’efficienza energetica aggiuntiva, in quanto le temperature dell’acqua, utilizzata per questi usi contemporanei, verrebbero variate in direzione favorevole all’efficienza. If, on the other hand, the same pipe used for the discharge of the hottest water coming from the cold producing systems, and vice versa, was used for the withdrawal of the water used by the heat producing systems, and vice versa, there would be an additional energy efficiency. , as the temperatures of the water used for these contemporary uses would be varied in a direction favorable to efficiency.
L’immissione di acqua calda in una rete da cui si preleva calore e l’immissione di acqua fredda in una rete da cui si preleva acqua per il raffreddamento, permettono in genere di creare un sistema energicamente più efficiente. La domanda di brevetto EP 1 361 403 (12 11 2003) descrive una rete territoriale chiusa finalizzata a recuperare il calore scaricato da alcuni impianti per utilizzarlo in altri impianti che necessitano calore. Tale sistema à ̈ schematizzato da una tubazione che forma una spirale chiusa, il cui inizio à ̈ collegato con la sua fine. Gli impianti utilizzatori di calore prelevano calore da una spira che contiene acqua più calda e scaricano acqua più fredda nella spira contigua dalla quale viceversa gli impianti, che richiedono raffreddamento, prelevano acqua più fredda che scaricano, a temperatura maggiore, nella spira con acqua più calda. Dal momento che la rete non à ̈ in genere bilanciata negli utilizzi di calore o freddo, à ̈ previsto un sistema di accumulo di caldo e freddo, costituito da serbatoi di stoccaggio di acqua calda e fredda e un bypass con una pompa di calore per modulare lo squilibrio termico. È pertanto un sistema chiuso, che, per l’accumulo degli sbilanci termici, prevede stoccaggi di acqua calda o fredda e, per il loro smaltimento, un sistema di compensazione, costituito da pompa di calore reversibile, per mantenere l’equilibrio mediante scambio con l’esterno. Il sistema descritto dal brevetto di cui sopra non può pertanto essere utilizzato in una rete di teleriscaldamento o tele raffreddamento che utilizzano acqua di una fonte esterna per approvvigionarsi o scaricare energia, in questo caso, infatti, l’acqua non ha la funzione di trasferire calore da un punto all’altro di un sistema chiuso, ma quella opposta di immettere o sottrarre grandi quantità di energia collegando questo sistema con una sorgente utilizzata per la fornitura o il ricevimento di calore. The introduction of hot water into a network from which heat is taken and the introduction of cold water into a network from which water is taken for cooling, generally allow to create a more energetically efficient system. Patent application EP 1 361 403 (12 11 2003) describes a closed territorial network aimed at recovering the heat discharged from some plants to use it in other plants that need heat. This system is schematized by a pipe that forms a closed spiral, the beginning of which is connected with its end. The heat-using systems draw heat from a coil that contains warmer water and discharge colder water into the contiguous coil from which, vice versa, the systems, which require cooling, take colder water which they discharge, at a higher temperature, into the coil with warmer water . Since the network is not generally balanced in heat or cold uses, a hot and cold storage system is provided, consisting of hot and cold water storage tanks and a bypass with a heat pump to modulate thermal imbalance. It is therefore a closed system, which, for the accumulation of thermal imbalances, provides for the storage of hot or cold water and, for their disposal, a compensation system, consisting of a reversible heat pump, to maintain the equilibrium by means of exchange with the outside. The system described by the above patent cannot therefore be used in a district heating or cooling network that uses water from an external source to supply or discharge energy, in this case, in fact, the water does not have the function of transferring heat from one point to another of a closed system, but the opposite one of introducing or subtracting large amounts of energy by connecting this system with a source used for the supply or receipt of heat.
La presente invenzione permette di garantire in ogni momento la massima efficienza energetica nell’utilizzo della stessa fonte d’acqua da parte di una rete di utenti che la utilizzano, in modo variabile, per il riscaldamento e raffreddamento. Pertanto in ogni momento viene garantito il minimo consumo di energia elettrica congiuntamente al minimo utilizzo di acqua. The present invention makes it possible to guarantee at all times the maximum energy efficiency in the use of the same water source by a network of users who use it, in a variable way, for heating and cooling. Therefore, the minimum consumption of electricity is guaranteed at all times together with the minimum use of water.
Sommario dell’invenzione Summary of the invention
Scopo dell’invenzione à ̈ quello di ovviare agli inconvenienti e alle limitazioni delle Reti spora illustrate e di garantire in ogni momento la massima efficienza energetica nell’utilizzo della stessa fonte d’acqua da parte di una rete di utenti che la utilizzano, in modo variabile, per il riscaldamento e/o raffreddamento, in modo che in ogni momento venga garantito il minimo consumo di energia elettrica congiuntamente al minimo utilizzo di acqua. The purpose of the invention is to obviate the drawbacks and limitations of the Spore Networks illustrated and to ensure maximum energy efficiency at all times in the use of the same water source by a network of users who use it. , in a variable way, for heating and / or cooling, so that at all times the minimum consumption of electricity is guaranteed together with the minimum use of water.
Questo scopo à ̈ raggiunto dall’invenzione che presenta le caratteristiche dell’annessa rivendicazione indipendente 1. This object is achieved by the invention which has the characteristics of the attached independent claim 1.
Realizzazioni vantaggiose dell’invenzione appaiono dalle rivendicazioni dipendenti. Advantageous embodiments of the invention appear from the dependent claims.
Sostanzialmente, la presente invenzione riguarda una rete a due tubazioni, che permette l’ottimizzazione, in ogni situazione, dell’efficienza energetica per la contemporanea fornitura di calore e di freddo ottenuti utilizzando pompe di calore usate in modo reversibile o altri impianti di raffreddamento ed acqua a temperatura idonea per questi utilizzi. Questa situazione si presenta, per esempio, nel caso di utilizzo di acqua di falda o di grandi bacini d’acqua come laghi, mare e acque industriali con temperature relativamente costanti. Basically, the present invention relates to a two-pipe network, which allows the optimization, in every situation, of the energy efficiency for the simultaneous supply of heat and cold obtained by using heat pumps used in reversible way or other systems of cooling and water at a suitable temperature for these uses. This situation occurs, for example, in the case of use of groundwater or large water basins such as lakes, sea and industrial waters with relatively constant temperatures.
La presente invenzione riguarda una rete per la produzione, anche contemporanea, di calore e di freddo impiegabile da impianti che utilizzano acqua per l’estrazione e la cessione del calore. Tale rete garantisce la massimizzazione della efficienza energetica complessiva e la minimizzazione della quantità di acqua utilizzata, a parità di differenza di temperatura dell’acqua tra il prelievo e lo scarico. The present invention relates to a network for the production, even at the same time, of heat and cold which can be used by plants that use water for the extraction and transfer of heat. This network guarantees the maximization of the overall energy efficiency and the minimization of the quantity of water used, with the same difference in temperature of the water between the withdrawal and the discharge.
La presente invenzione, che chiamiamo EPS (Energy Pipe Sistem), à ̈ costituita da una rete di due tubazioni parallele, che chiamiamo A e B, entrambe collegabili all’alimentazione e allo scarico dell’acqua, collegate o meno all’estremità , e da un sistema di impianti per la produzione di calore, che utilizzano tutti la stessa tubazione, ad esempio A, per il prelievo dell’acqua e l’altra tubazione, B, per lo scarico, mentre gli impianti per la produzione di freddo utilizzano le tubazioni in modo inverso, B per il prelievo dell’acqua ed A per lo scarico. The present invention, which we call EPS (Energy Pipe System), consists of a network of two parallel pipes, which we call A and B, both of which can be connected to the water supply and drain, whether or not connected to the extremities, and by a system of plants for the production of heat, which all use the same pipe, for example A, for the withdrawal of the water and the other pipe, B, for the discharge, while the systems for the cold production use the pipes in the opposite way, B for water withdrawal and A for drainage.
Al fine di ottimizzare l’efficienza energetica in ogni condizione di utenza, à ̈ previsto un sistema automatico di reversibilità del flusso, che prevede, per l’alimentazione dell’acqua nella rete, l’utilizzo del tubo da cui prelevano acqua le pompe di calore utilizzate per il riscaldamento, nel caso dell’esempio il tubo A, solo quando l’energia prelevata dalla Rete, à ̈ maggiore dell’energia ceduta alla Rete. In caso contrario gli utilizzi dei tubi per l’alimentazione e lo scarico vengono tra loro invertiti. In order to optimize energy efficiency in all user conditions, an automatic flow reversibility system is envisaged, which provides for the use of the pipe from which they take water the heat pumps used for heating, in the case of the example pipe A, only when the energy drawn from the network is greater than the energy sold to the network. € ™ supply and exhaust are reversed.
L’efficienza teorica massima, ossia la minima energia teoricamente impiegabile per estrarre, mediante pompe di calore, la stessa quantità di calore da masse d’acqua a temperatura relativamente costante, come ad esempio dall’acqua geotermica, dal mare o da laghi, à ̈ inversamente proporzionale alla differenza tra la temperatura richiesta dall’utente e quella della sorgente. È proporzionale al COPmax= T2/(T2-T1), dove T2 à ̈ la temperatura di utilizzo e T1 à ̈ quella della sorgente misurate in °K. The theoretical maximum efficiency, i.e. the minimum theoretically usable energy to extract, by means of heat pumps, the same amount of heat from masses of water at a relatively constant temperature, such as from geothermal water, from the sea or from lakes, is inversely proportional to the difference between the temperature requested by the user and that of the source. It is proportional to COPmax = T2 / (T2-T1), where T2 is the temperature of use and T1 is that of the source measured in ° K.
Nel caso di più utenti diversificati, che utilizzano la Rete per il riscaldamento à ̈ più efficiente, sotto l’aspetto energetico, realizzare una rete in cui circola l’acqua alla temperatura della sorgente, da cui prelevare calore alla temperatura minima utilizzabile da ogni singolo utente, piuttosto che impiegare grandi pompe di calore e circolare acqua calda, che necessariamente deve avere la temperatura richiesta dagli utenti più esigenti, in genere superiore a 90°C. Con una sorgente a disposizione di 14°C e una temperatura richiesta di 90°C abbiamo infatti un COPmax= 4,8, mentre se l’utente richiedesse acqua a 45°C, come avviene in molti nuovi impianti di riscaldamento, abbiamo un COPmax= 10,2, pertanto la rete che utilizza pompe di calore locali richiede, nel caso dell’utente descritto, il 112% di energia in meno della rete che utilizza una pompa di calore iniziale e che circola acqua alla temperatura massima richiesta dagli utenti. In the case of several diversified users, who use the Network for heating, it is more efficient, from an energy point of view, to create a network in which the water circulates at the temperature of the source, from which heat is drawn at the minimum usable temperature. each individual user, rather than using large heat pumps and circulating hot water, which necessarily must have the temperature required by the most demanding users, generally above 90 ° C. With a source available of 14 ° C and a required temperature of 90 ° C we have a COPmax = 4.8, while if the user requires water at 45 ° C, as happens in many new heating systems, we have a COPmax = 10.2, therefore the network that uses local heat pumps requires, in the case of the user described, 112% less energy than the network that uses an initial heat pump and that circulates water at the maximum temperature required by the users.
Negli stessi territori inoltre sono spesso presenti utenti, che necessitano contemporaneamente di impianti di riscaldamento e raffreddamento. Furthermore, in the same territories there are often users, who need heating and cooling systems at the same time.
Gli impianti di riscaldamento scaricano acqua più fredda, mentre gli impianti di raffreddamento scaricano acqua più calda. Dal momento che il COP, nel caso di produzione di calore, aumenta se si usa acqua a maggior temperatura, mentre la situazione à ̈ opposta per il raffreddamento, se gli utenti di freddo utilizzano l’acqua utilizzata dagli utenti di calore e viceversa, ciascuno disporrà di differenze di temperature inferiori e quindi di rendimenti superiori. Heating systems discharge colder water, while cooling systems discharge warmer water. Since the COP, in the case of heat production, increases if water is used at a higher temperature, while the situation is the opposite for cooling, if the cold users use the water used by the heat users and vice versa, each will have lower temperature differences and therefore higher yields.
Pertanto una rete costituita da due tubi in cui si alimenta acqua a temperatura prossima a quella della sorgente, rispettivamente utilizzati, mediante pompe di calore e impianti frigoriferi, per il prelievo di calore e lo scarico di acqua più fredda e per il prelievo di freddo e lo scarico di acqua più calda, presenta l’enorme vantaggio di poter fornire, in particolari situazioni, con lo stesso investimento in tubazioni, servizi di riscaldamento e raffreddamento sinergici ai fini dell’efficienza energetica. Therefore a network consisting of two pipes into which water is fed at a temperature close to that of the source, respectively used, by means of heat pumps and refrigeration systems, for the withdrawal of heat and the discharge of colder water and for the withdrawal of cold and the discharge of hotter water has the enormous advantage of being able to provide, in particular situations, with the same investment in pipes, synergistic heating and cooling services for the purposes of energy efficiency.
Le utenze possono tuttavia variare, nel corso delle stagioni, tra il solo utilizzo per riscaldamento e il solo utilizzo per il raffreddamento mediante tutte le possibili combinazioni intermedie, ed à ̈ necessario disporre di una rete che garantisca la massima efficienza energetica in ogni possibile situazione. Pertanto viene utilizzata, per l’alimentazione dell’acqua nella Rete, la tubazione da cui prelevano acqua gli impianti che producono calore, solo quando l’energia prelevata da questi impianti à ̈ maggiore dell’energia scaricata dagli impianti che producono freddo. In questa situazione la temperatura dell’acqua scaricata à ̈ minore della temperatura dell’acqua prelevata dalla rete, in caso contrario l’utilizzo dei due tubi per l’alimentazione e lo scarico viene invertito. The utilities may however vary, over the seasons, between use only for heating and only use for cooling through all possible intermediate combinations, and it is necessary to have a network that guarantees maximum energy efficiency in every possible situation. Therefore, for the supply of water in the network, the pipe from which the plants that produce heat draw water is used only when the energy taken from these plants is greater than the energy discharged by the plants that produce cold. In this situation, the temperature of the discharged water is lower than the temperature of the water drawn from the network, otherwise the use of the two pipes for supply and drainage is reversed.
La Rete descritta permette pertanto di fornire agli stessi utenti, una rete di riscaldamento e una rete di condizionamento, che rispetta in ogni momento la condizione di massima efficienza energetica. The network described therefore allows users to be supplied with a heating network and an air conditioning network, which at all times respects the condition of maximum energy efficiency.
Dopo gli utilizzi termici sopra descritti, l’acqua può essere rimessa nella sorgente od essere destinata da altri usi, agricoli, industriali o per altri servizi, infatti l’impiego a fini termici dell’acqua, che prevede incrementi o diminuzioni di temperatura limitate, senza cambiare le altre caratteristiche, non rappresenta un consumo d’acqua. After the thermal uses described above, the water can be returned to the source or be destined for other uses, agricultural, industrial or for other services, in fact the use of water for thermal purposes, which involves increases or decreases in limited temperatures, without changing the other characteristics, does not represent water consumption.
La portata dell’acqua à ̈ variabile in modo da garantire in ogni situazione il rispetto delle differenze massime, prefissate eventualmente per legge, tra le temperature dell’acqua allo scarico e quella al prelievo. The water flow rate is variable in order to ensure compliance in any situation with the maximum differences, possibly established by law, between the temperatures of the water at the drain and that at the withdrawal.
La rete à ̈ particolarmente utile se si utilizzano pompe di calore impiegate in modo reversibile per produrre calore o freddo che invertono conseguentemente il prelievo e lo scarico dell’acqua tra le due tubazioni. The network is particularly useful if heat pumps are used that are used reversibly to produce heat or cold which consequently reverse the withdrawal and discharge of water between the two pipes.
Dette tubazioni, collegate, in modo alternativo, alla sorgente e allo scarico, sono eventualmente regolate da un sistema che permette di mantenere la pressione costante alla loro estremità e una percentuale di circolazione in modo da garantire sempre la possibilità di prelievo dell’acqua da entrambe le tubazioni e da tutti gli utenti e favorire la miscelazione nelle due tubazioni. Nella versione preferita le tubazioni sono collegate a formare un anello tramite misuratore/regolatore di portata e vengono utilizzate per l’alimentazione in rete e lo scarico dell’acqua in modo alternativo in funzione della differenza tra la temperatura dell’acqua misurata al punto di alimentazione in rete e allo scarico; nel caso la differenza sia positiva, l’acqua utilizzata per il riscaldamento viene prelevata dalla tubazione utilizzata per la mandata dell’acqua, nel caso sia negativa il flusso viene invertito. These pipes, connected, alternatively, to the source and to the drain, are possibly regulated by a system that allows to maintain constant pressure at their ends and a percentage of circulation in order to always guarantee the possibility of drawing water from both pipes and by all users and favor mixing in the two pipes. In the preferred version, the pipes are connected to form a ring by means of a flow meter / regulator and are used for supplying the network and draining the water in an alternative way according to the difference between the water temperature measured at power point in the network and at the drain; if the difference is positive, the water used for heating is taken from the pipe used to deliver the water, if it is negative, the flow is reversed.
Esempi Examples
Esempio 1 Example 1
Vengono paragonate due reti: a) Una Rete EPS in cui circola acqua alla temperatura della sorgente, che utilizza alternativamente, in funzione delle quantità relative di calore prelevato o ceduto all’acqua rispettivamente dagli impianti per la produzione di calore e freddo, entrambi i tubi per il prelievo e scarico dell’acqua e b) Una “Rete Fissa†, utilizzata per le stesse finalità , ma che utilizza un solo tubo per il prelievo ed un solo tubo per lo scarico. Le due reti servono lo stesso complesso edilizio, in cui la domanda di riscaldamento e condizionamento sono diversificate nel corso dell’anno da parte dei diversi utenti in funzione delle loro caratteristiche: abitazioni, centro uffici, centro commerciale ecc. Two networks are compared: a) An EPS network in which water circulates at the temperature of the source, which uses alternatively, depending on the relative quantities of heat taken or transferred to the water respectively by the plants for the production of heat and cold, both pipes for water withdrawal and drainage and b) A â € œFixed Networkâ €, used for the same purposes, but which uses only one pipe for sampling and one single pipe for drainage. The two networks serve the same building complex, in which the demand for heating and air conditioning is diversified over the course of the year by different users according to their characteristics: homes, office centers, shopping centers, etc.
Si paragona l’energia elettrica e l’acqua richiesta nelle due Reti nella situazioni in cui il fabbisogno di acqua per il riscaldamento sia il 10%, 50%, 100%, 200%, 1000% del fabbisogno dell’acqua utilizzata per il raffreddamento. Le due Reti sono schematizzate nella Figura 1, in cui viene indicata a) la Rete EPS e b)la Rete Fissa. I dati di utilizzo del caldo e freddo da parte del complesso edilizio sono sotto riportati. We compare the electricity and the water required in the two networks in situations where the water requirement for heating is 10%, 50%, 100%, 200%, 1000% of the water used. for cooling. The two Networks are schematized in Figure 1, which indicates a) the EPS Network and b) the Fixed Network. The data on the use of heat and cold by the building complex are shown below.
Dati del complesso edilizio Data of the building complex
Riscaldamento : fan coils / pavimento radiante Raffreddamento : fan coils Heating: fan coils / radiant floor Cooling: fan coils
giorni riscaldamento/anno = 180 heating days / year = 180
giorni raffreddamento/anno = 180 cooling days / year = 180
Temperatura fluido riscaldamento = 313,16 - 323,16°K Temperatura fluido raffreddamento = 290,16°K Heating fluid temperature = 313.16 - 323.16 ° K Cooling fluid temperature = 290.16 ° K
Potenza impegnata per caldo = 5000 kW Power used for hot = 5000 kW
Potenza impegnata per freddo = 6000 kW Power used for cold = 6000 kW
Consumo annuale totale = 12700 MWh/anno Total annual consumption = 12700 MWh / year
Raffredd. Energia Energia Differenza Acqua Acqua Differenza /Riscaldam elettrica elettrica della prelevata prelevata della Rete Rete energia rete rete acqua EPS FISSA utilizzata EPS FISSA utilizzata [kWh] [kWh] dalle Reti [l/s] [l/s] dalle reti % % Cool. Energy Energy Difference Water Water Difference / Electric heating of electricity withdrawn from the network Network energy network water network FIXED EPS used FIXED EPS used [kWh] [kWh] by the networks [l / s] [l / s] by the networks%%
10% 1347 1630 17% 215 263 18% 50% 1837 2152 15% 119 358 67% 100% 2449 2804 13% 0 478 100% 200% 2082 2328 11% 143 430 67% 1000% 1527 1648 7% 258 315 18% 10% 1347 1630 17% 215 263 18% 50% 1837 2152 15% 119 358 67% 100% 2449 2804 13% 0 478 100% 200% 2082 2328 11% 143 430 67% 1000% 1527 1648 7% 258 315 18%
Esempio 2 Example 2
Vengono paragonate due reti, utilizzate per il solo servizio di riscaldamento di un Complesso edilizio, definito, ai fini dei consumi termici, dalle 4 Modalità di riscaldamento sotto indicate: a) Una Rete EPS che preleva acqua alla temperatura della sorgente (14°C) e la scarica alla temperatura di 7°C, e b) Una Rete ad acqua calda, prodotta da una pompa di calore iniziale, che alimenta in rete acqua a temperatura di 90°C e alla quale ritorna acqua a 80°C. Entrambe le Reti sono utilizzate dallo stesso complesso edilizio le cui modalità di riscaldamento sono sotto descritte e vengono schematizzate nella Figura 2: Two networks are compared, used only for the heating service of a building complex, defined, for the purposes of thermal consumption, by the 4 heating modes indicated below: a) An EPS network that draws water at the temperature of the source (14 ° C) and discharges it at a temperature of 7 ° C, and b) A hot water network, produced by an initial heat pump, which feeds water at a temperature of 90 ° C to the network and to which water returns at 80 ° C. Both networks are used by the same building complex whose heating modes are described below and are schematized in Figure 2:
1) Abitazioni da 100 mq. scaldate con termosifone: N.= 100, giorni riscaldamento/anno = 180 1) Homes of 100 square meters. heated with radiator: N. = 100, heating days / year = 180
Temperatura fluido riscaldamento = 353,16°K Heating fluid temperature = 353.16 ° K
Consumo annuale/appartamento = 15000 kWh/anno Consumo annuale totale = 1500 MWh/anno Consumo di energia elettrica = 556 MWh/anno Annual consumption / apartment = 15000 kWh / year Total annual consumption = 1500 MWh / year Electricity consumption = 556 MWh / year
2) Appartamenti da 100 mq, scaldati con fancoils: N.= 500, 2) Apartments of 100 square meters, heated with fancoils: N. = 500,
giorni riscaldamento/anno = 180 heating days / year = 180
Temperatura fluido riscaldamento = 313,16 - 323,16°K Consumo annuale/appartamento = 15000 kWh/anno Consumo annuale totale = 7500 MWh/anno Consumo di energia elettrica = 1875 MWh/anno Heating fluid temperature = 313.16 - 323.16 ° K Annual consumption / apartment = 15000 kWh / year Total annual consumption = 7500 MWh / year Electricity consumption = 1875 MWh / year
3) Appartamenti da 100 mq. scaldati con pavimento radiante: N.= 500, giorni riscaldamento/anno = 180 3) 100 sqm apartments. heated with radiant floor: N. = 500, heating days / year = 180
Temperatura fluido riscaldamento = 303,16 - 318,16°K Consumo annuale/appartamento = 14000 kWh/anno Consumo annuale totale = 7000 MWh/anno Consumo di energia elettrica = 1520 MWh/anno Heating fluid temperature = 303.16 - 318.16 ° K Annual consumption / apartment = 14000 kWh / year Total annual consumption = 7000 MWh / year Electricity consumption = 1520 MWh / year
4) Centro uffici scaldati con pavimento radiante, mq. 10.000, 70.000 mc 4) Office center heated with radiant floor, sqm. 10,000, 70,000 cubic meters
giorni riscaldamento anno = 180 heating days per year = 180
Consumo annuale per riscaldamento = 730 MWh/anno Consumo di energia elettrica = 166 MWh/anno Annual consumption for heating = 730 MWh / year Electricity consumption = 166 MWh / year
Viene calcolata l’energia elettrica annualmente richiesta per il The electricity required annually for the year is calculated
riscaldamento di ognuna delle 4 Modalità di riscaldamento sopra indicate e heating of each of the 4 heating modes indicated above e
del totale per tutto il complesso, nel caso in cui il riscaldamento avviene of the total for the whole complex, in case the heating takes place
tramite la Rete EPS e quando il riscaldamento avviene con la Rete ad acqua through the EPS network and when the heating takes place with the water network
calda. hot.
Sistema di riscaldamento e di Acqua calda EPS Differenza Diff. raffreddamento e condizion. EPS heating and hot water system Difference Diff. Cooling and air conditioning.
aria air
MWh/anno MWh/anno % MWh/anno MWh / year MWh / year% MWh / year
1) Abitazione con termosifone 560 556 4 0,66% 2) Appartamenti con fancoils 2800 1875 924 33% 3) Appartamenti con pavimento 2612 1520 1092 42% Radiante 1) House with radiator 560 556 4 0,66% 2) Apartments with fancoils 2800 1875 924 33% 3) Apartments with floor 2612 1520 1092 42% Radiant
4) Centro uffici con pavimento 272 166 106 39% Radiante 4) Office center with floor 272 166 106 39% Radiant
Esempio 3 Example 3
Vengono paragonati due Sistemi di riscaldamento e raffreddamento Two systems of heating and cooling are compared
utilizzati dallo stesso Complesso edilizio di cui all’Esempio 2: a) Sistema con used by the same building complex referred to in Example 2: a) System with
rete EPS, b) Sistema che utilizza: per il riscaldamento la stessa rete a EPS network, b) System that uses: for heating the same network a
temperatura costante dell’acqua dell’Esempio 2 e per il raffreddamento constant water temperature of Example 2 and for cooling
condizionatori raffreddati ad aria. air-cooled conditioners.
Viene calcolata l’energia elettrica annualmente richiesta per il The electricity required annually for the year is calculated
riscaldamento e per il raffreddamento dai due Sistemi: heating and cooling from the two systems:
Sistema di riscaldamento e di Acqua calda EPS Differenza Diff. raffreddamento e condizion. EPS heating and hot water system Difference Diff. Cooling and air conditioning.
aria air
MWh/anno MWh/anno % MWh/anno MWh / year MWh / year% MWh / year
Energia el. per riscaldamento 6243 4118 2125 34% Energia el. per raffreddamento 2433 1584 849 35% Energia el. totale 8675 5702 2974 34,3% Energy el. for heating 6243 4118 2125 34% El. energy for cooling 2433 1584 849 35% el. total 8675 5702 2974 34.3%
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| IT1393090B1 (en) | 2012-04-11 |
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