ITMI20111853A1 - Centrale termica compatta multienergia per riscaldamento di ambienti e produzione di acqua calda sanitaria. - Google Patents

Description

DESCRIZIONE

“Centrale termica compatta multienergia per riscaldamento di ambienti e produzione di acqua calda sanitariaâ€

La presente invenzione concerne una centrale termica modulare compatta multienergia per riscaldamento di ambienti e produzione di acqua calda sanitaria.

Ci si vuole qui riferire ad un sistema di riscaldamento e produzione di acqua calda sanitaria, particolarmente per abitazioni e del tipo ad integrazione da energia solare e da altre forme di energia rinnovabile (come specificato oltre) e tradizionale Esistono in arte nota numerosi esempi di impianti di riscaldamento ambienti e produzione di acqua calda del tipo a caldaia termica con integrazione da collettore solare. Tuttavia, nei tipi noti, l’acqua calda sanitaria à ̈ ottenuta scaldando l’acqua stessa in tempo reale tramite uno scambiatore di calore in scambio termico con il fluido termovettore proveniente dal serbatoio di accumulo solare. In questo modo si risparmia sull’uso del combustibile usato per la caldaia, ma le quantità di acqua calda sanitaria prodotte, in particolare la loro portata e la loro temperatura, sono limitate dalla portata e temperatura di uscita dello scambiatore in scambio termico col fluido riscaldato dal collettore solare. Questo significa che le portate di acqua calda sono ridotte, e che, dato il rendimento dello scambiatore, la temperatura in uscita non à ̈ sufficientemente elevata da poter ottenere grosse portate di acqua calda mischiando quella in uscita dallo scambiatore solare con acqua fredda per ottenere temperature adatte all’ utilizzo.

Sorge l’esigenza domestica di significative portate di acqua calda sanitaria ad una certa ora del giorno, ad esempio per riempire le oramai di moda vasche ad idromassaggio ad ampia capacità volumetrica. Con l’arte nota occorre aspettare tempi considerevoli per il riempimento, e rischiare il raffreddamento della vasca. Oppure bisogna ricorrere alla caldaia e rassegnarsi a maggiori consumi di combustibile.

Sulla scorta di queste osservazioni, la richiedente si à ̈ ingegnata per trovare una soluzione di riscaldamento domestico che consentisse recupero di energia dal solare e portate opportune al momento richiesto, senza lasciare il peso del riscaldamento alla sola caldaia.

In considerazione di questo stato della tecnica lo scopo della presente invenzione à ̈ quello di ovviare agli inconvenienti anzidetti, proponendo un impianto di riscaldamento ambienti e produzione di acqua calda sanitaria con fonti energetiche a caldaia e collettore solare che consenta di utilizzare il riscaldamento solare per fornire grosse quantità di acqua calda a temperatura elevata.

In accordo con Γ invenzione tale scopo à ̈ raggiunto con una centrale termica solare per riscaldamento ambienti e produzione di acqua calda sanitaria, particolarmente per abitazioni, comprendente:

• una caldaia a combustibile dotata di un ingresso e di un’uscita per un fluido di alimentazione di utenze termiche di riscaldamento ambienti;

• almeno un collettore solare; ed

• almeno un serbatoio di accumulo solare collegato idraulicamente a detto collettore solare per il contenimento e la circolazione di un fluido termovettore riscaldato da detto collettore solare;

caratterizzata dal fatto di comprendere inoltre:

• almeno un contenitore di accumulo di acqua sanitaria alloggiato all’interno di detto serbatoio e in scambio termico con detto fluido termovettore per riscaldare l’acqua sanitaria all’interno di detto contenitore;

• un condotto di collegamento idraulico tra un ingresso di detto contenitore ed un’alimentazione di acqua sanitaria ed un condotto di collegamento idraulico tra un’uscita di detto contenitore ed una valvola di miscelazione di detta acqua sanitaria con acqua calda prelevata da detto contenitore.

Vantaggiosamente, la centrale termica solare secondo l’invenzione comprende inoltre:

• uno scambiatore di calore alloggiato aH’intemo di detto serbatoio di accumulo solare e idraulicamente interposto tra l’uscita di dette utenze termiche e detto ingresso della caldaia;

• mezzi di rilevamento delle temperature all’interno di detto serbatoio di accumulo solare e all’uscita di dette utenze termiche;

• mezzi valvolari interposti tra dette utenze termiche e detto scambiatore di calore per deviare una parte del fluido in uscita da dette utenze termiche verso l’ingresso di detto scambiatore di calore quando la temperatura all’intemo del serbatoio à ̈ superiore a quella di uscita delle utenze termiche.

Sono inoltre previste fonti energetiche suppletive, per esempio costituite da stufe a legna, termo-stufe e termo-cucine, che provvedono anch’esse a riscaldare il fluido termovettore all’ interno dei serbatoio in aggiunta alla radiazione solare.

Grazie al contenitore di accumulo dell’acqua sanitaria che à ̈ posto all’interno del serbatoio di accumulo solare ed à ̈ in scambio termico con il fluido termovettore riscaldato dal collettore solare e grazie anche allo scambiatore di calore alloggiato nel serbatoio di accumulo solare la centrale termica secondo la presente invenzione à ̈ in grado di fornire acqua calda in abbondante quantità sia in estate che in inverno nonché di fornire energia termica proveniente da dette fonti (solare più suppletive) come integrazione al circuito di riscaldamento.

In estate, e comunque quando la radiazione solare à ̈ sufficiente per un buon riscaldamento del fluido termovettore, il collettore solare fornisce l’energia termica e riscalda il serbatoio di accumulo solare ed il contenitore di accumulo di acqua sanitaria ivi alloggiato.

In inverno, la caldaia fornisce energia termica di riscaldamento alle utenze termiche per il riscaldamento degli ambienti. Il collettore solare e, se presenti, le suddette fonti energetiche suppletive riscaldano il fluido termovettore ed il contenitore di accumulo di acqua sanitaria ivi alloggiato. Se la temperatura all’interno del serbatoio di accumulo solare supera quella di uscita dalle utenze termiche di riscaldamento, lo scambiatore di calore alloggiato nel serbatoio di accumulo solare à ̈ in grado di fornire energia calorica di recupero all’impianto di riscaldamento (oltre a mantenere a temperatura adeguata il serbatoio di accumulo solare ed il contenitore di accumulo di acqua sanitaria ivi alloggiato).

Il sistema prevede l’utilizzo di serbatoi singoli che si possono assemblare in configurazione modulare per ottenere il volume totale desiderato. Preferibilmente, sono previsti due serbatoi di accumulo solare un primo dei quali à ̈ collegato direttamente al circuito idraulico del collettore solare mentre il secondo à ̈ collegato idraulicamente al primo in modo da creare un ricircolo di fluido termo vettore tra i due serbatoi. All’interno dei due serbatoi sono alloggiati rispettivi contenitori di accumulo di acqua sanitaria collegati idraulicamente in serie tra loro. La caldaia provvede al riscaldamento finale dell’acqua sanitaria preriscaldata nei due contenitori.

Lo scambiatore à ̈ preferibilmente alloggiato all’interno del secondo serbatoio ma à ̈ anche previsto il suo inserimento all’ interno del primo serbatoio, mentre un modulo di scambio termico alimentato dalla caldaia può essere inserito nel contenitore di accumulo di acqua calda alloggiato nel secondo serbatoio. In tal caso la caldaia provvede al riscaldamento degli ambienti e attraverso il modulo di scambio termico inserito nel contenitore di accumulo di acqua calda mantiene a temperatura l’acqua stessa assicurando una desiderata produzione oraria di acqua calda sanitaria.

Queste ed altre caratteristiche della presente invenzione saranno rese maggiormente evidenti dalla seguente descrizione dettagliata di cinque suoi esempi di realizzazione pratica illustrati a titolo non limitativo negli uniti disegni, in cui:

la figura 1 mostra una rappresentazione schematica di una prima forma realizzativa dell’ invenzione, prevista per un’utenza termica ad alta temperatura a zona singola;

la figura 2 mostra una rappresentazione schematica di una seconda forma realizzativa dell’invenzione, prevista per un’utenza termica multizona ad alta temperatura;

la figura 3 mostra una rappresentazione schematica di una terza forma realizzativa dell’ invenzione, prevista per un’utenza termica a bassa temperatura, singola o multizona;

la figura 4 mostra una rappresentazione schematica di una quarta forma realizzativa dell’invenzione, prevista per utenze termiche multizona ad alta e bassa temperatura;

la figura 5 mostra una rappresentazione schematica di una quinta forma realizzativa dell’invenzione, che utilizza la caldaia per il riscaldamento degli ambienti e il mantenimento in temperatura dell’acqua sanitaria attraverso l’apposito modulo di scambio termico.

Si noti che per utenze ed alta temperatura si intendono per esempio i comuni impianti a termosifone, in cui circola acqua calda in pressione, od altro fluido idoneo, ad alta temperatura, e scambiano calore per convezione.

Per utenze a bassa temperatura si intendono per esempio gli impianti di riscaldamento con pannelli posti nelle solette dei locali, dove circola acqua calda a temperatura inferiore a quella dei termosifoni.

Con riferimento ai disegni allegati, la forma realizzativa mostrata in figura 1, prevista per un’utenza termica ad alta temperatura a zona singola, consiste in una centrale termica solare 1, che à ̈ allacciata ad un collettore solare 2 (in realtà, più collettori solari collegati tra loro) e ad un’utenza termica 3 di riscaldamento ambienti ad alta temperatura e zona singola, in particolare un impianto a termosifone.

La centrale termica 1 prevede all’interno di un involucro 4 una caldaia istantanea 5 (preferibilmente del tipo a condensazione, alimentata a gas o gasolio), che ha un primo ingresso 6 ed una prima uscita 7 per un fluido di alimentazione dell’utenza termica 3 ed un secondo ingresso 8 ed una seconda uscita 9 per l’acqua sanitaria.

All’interno dell’involucro 4 sono inoltre previsti un primo serbatoio 10 ed un secondo serbatoio 11, preferibilmente del tipo a vaso aperto e quindi a pressione atmosferica.

Il serbatoio 10, chiamato anche “serbatoio di accumulo solare†, contiene un fluido termovettore fatto circolare da una pompa 12, preferibilmente ad alta prevalenza, all’interno di un circuito idraulico comprendente, oltre al serbatoio 10 e al collettore solare 2, due condotti 13 e 14 collegati rispettivamente al fondo e alla sommità del serbatoio 10.

Il serbatoio 11, chiamato anche “serbatoio di riscaldamento†, contiene anch’esso il suddetto fluido termovettore ed à ̈ collegato idraulicamente al serbatoio 10 da un primo condotto 15 che collega il fondo dei due serbatoi 10 e 11 e da un secondo condotto 16 che collega la sommità del serbatoio 10 con una parte intermedia del serbatoio 11 ed include una pompa di circolazione 17.

Il fluido termovettore circola quindi non solo tra il serbatoio 10 ed il collettore solare 2 ma anche tra l’uno e l’altro dei due serbatoi 10 e 11, tendendo, in estate, a trasferire l’energia solare dal serbatoio 10 all’ 11 e in inverno, ove vi fossero impiegate altre fonti di energia rinnovabile, dal serbatoio 11 al 10.

All’interno dei serbatoi 10 e 11 sono alloggiati rispettivi contenitori di accumulo e riscaldamento 18 e 19 per acqua sanitaria, che sono in scambio termico con il fluido termovettore contenuto nei serbatoi 10 e 11. La zona di fondo del contenitore 18 riceve acqua sanitaria fredda dalla rete idrica tramite un condotto di alimentazione 20, mentre la zona di fondo del contenitore 19 riceve acqua preriscaldata dalla sommità del contenitore 18 tramite un condotto di collegamento 21. Un condotto di uscita 22 collega la sommità del contenitore 19 con una valvola a tre vie 23, in cui converge anche il condotto di alimentazione di acqua fredda 20 ed ha un’uscita collegata all’ingresso 8 della caldaia 5.

Nella parte bassa del serbatoio 11 à ̈ alloggiato uno scambiatore di calore a serpentino 24, che ha l’ingresso collegato idraulicamente ad una delle due uscite di una valvola controllata 25 a tre vie e l’uscita collegata all’ingresso 6 della caldaia 5, a cui à ̈ pure collegata una seconda uscita della valvola 25 a tre vie. L’ingresso di quest’ultima à ̈ collegato tramite un condotto 26 all’uscita dell’utenza termica 3, che a sua volta à ̈ pure collegata all’ ingresso 6 della caldaia 5 tramite un condotto di by-pass 27 con valvola strozzatrice regolabile 28.

La parte di fondo ed una parte intermedia del serbatoio 11 sono collegate da rispettivi condotti idraulici 29 e 30 a fonti energetiche ausiliarie 31 e 32, per esempio costituite, la prima, da una stufa a legna 33 con sistema di scambio termico 34 come da brevetto italiano per modello di utilità n. 255523 e, la seconda, da una termo-stufa o termo-cucina 35 con scambiatore di calore 36.

Sono infine previste alcune sonde termiche 37-42, che rilevano la temperatura del fluido alfintemo del collettore solare 3, dei serbatoi 10 e 11 e del condotto 26.

La centrale termica solare mostrata in figura 1 opera come segue.

In presenza di una prestabilita differenza di temperatura rilevata dalle sonde termiche 37 e 38 rispettivamente associate al collettore solare 3 e al serbatoio 10, ciò che avviene in particolare nel periodo estivo, la pompa 12 trasferisce il fluido termovettore dal serbatoio 10 al collettore solare 3, dove viene riscaldato dalla radiazione solare, per poi essere riportato nel serbatoio 10. Il calore solare così raccolto mantiene il fluido termovettore contenuto nei serbatoi 10 e 11, tra i quali à ̈ fatto circolare dalla pompa 17, ad una temperatura sufficiente per realizzare un apprezzabile preriscaldamento dell’acqua sanitaria accumulata nei contenitori 18 e 19. La circolazione di fluido termovettore dovuta alla pompa 17 ha lo scopo di favorire il trasferimento di calore dal serbatoio 10 al serbatoio 11 e nello stesso tempo di mantenere più bassa possibile la temperatura del fluido termovettore nel serbatoio 10 al fine di favorire la resa del collettore solare. La circolazione à ̈ effettuata dalla pompa 17 quando la sonda termica 39 rileva nel serbatoio 10 una temperatura superiore a quella rilevata dalla sonda 40 nel serbatoio 11.

In caso di richiesta di acqua calda sanitaria da parte dell’utenza, l’acqua preriscaldata nei contenitori di accumulo 18 e 19 viene prelevata (per differenza di pressione) e miscelata con acqua fredda attraverso la valvola 23 per poi essere ulteriormente riscaldata dalla caldaia 5 ed inviata all’utenza.

Appare evidente che i contenitori di accumulo 18 e 19 mettono immediatamente a disposizione un’abbondante quantità di acqua sanitaria già preriscaldata, che la caldaia 5 può rapidamente portare alla temperatura desiderata.

Quando la differenza di temperatura rilevata dalle sonde 37 e 38 scende sotto una soglia prestabilita, per esempio in caso di scarsa radiazione solare dovuta a cattivo tempo o nelle ore solari e notturne, la pompa 12 interrompe il suo funzionamento permettendo il completo svuotamento del collettore solare e la raccolta del fluido termovettore all’ interno del serbatoio, come già detto preferibilmente a vaso aperto.

Nel periodo invernale, quando difficilmente la radiazione solare à ̈ sufficiente per mantenere caldo il fluido termovettore nei serbatoi 10 e 11 ma nello stesso tempo à ̈ in funzione il riscaldamento ambientale grazie alla caldaia 5 e all’utenza termica 3 ad alta temperatura con circolazione di ritorno attraverso il condotto di by-pass 27, i serbatoi 10 e li possono essere mantenuti a temperatura adeguata tramite le fonti energetiche rinnovabili 31 e 32, la seconda delle quali à ̈ munita di una sonda termica 43 che collabora con la sonda 41 per evitare l’eccessivo riscaldamento del fluido all’intemo del serbatoio 11. In tale situazione, se le sonde 42 e 41 rilevano all’uscita dell’utenza termica 3 una temperatura inferiore a quella nella zona centrale del serbatoio 11, viene comandata attraverso la valvola 25 a tre vie la deviazione di una parte del fluido di ritorno dall’utenza termica 3 verso lo scambiatore di calore 24, che può così trasferire calore dal serbatoio 11 al condotto di ritorno del fluido di riscaldamento dall’utenza termica 3 alla caldaia 5.

La forma realizzativa di figura 2, prevista per un’utenza termica multizona ad alta temperatura, à ̈ identica a quella di figura 1 con l’unica eccezione che sono previste due utenze termiche 13 combinate tra loro attraverso un separatore idraulico 50. Il modo di funzionare à ̈ lo stesso già spiegato con riferimento alla figura 1.

La forma realizzativa di figura 3, prevista per un’utenza termica a bassa temperatura, indicata con il numero 51, si distingue a sua volta da quella di figura 1 per l’assenza della valvola 25 a tre vie, del condotto di by-pass 27 e della valvola strozzatrice 28. Al loro posto à ̈ previsto un separatore idraulico 50.

La forma realizzativa di figura 4, prevista per utenze termiche multizona ad alta e bassa temperatura, rispettivamente indicate con i numeri 3 e 51, à ̈ del tutto simile a quella di figura 2 salvo l’aggiunta di un ulteriore condotto di by-pass 52 con valvola strozzatrice regolabile 53. Il disegno mostra l’ulteriore aggiunta di un filtro antiimpurità 54 inserito nel condotto di alimentazione 20 dell’acqua fredda sanitaria con il compito di trattenere tutti i possibili residui presenti nell’acqua. A valle del filtro 54 una pompa dosatrice 55 inietta, se richiesto, una soluzione combinata di polifosfati che à ̈ impiegata per la prevenzione di incrostazioni e corrosioni . Se desiderato, può essere previsto un vaso di espansione aggiuntivo 57 associato al separatore idraulico 50. E’ sempre presente invece il vaso di espansione per il circuito sanitario 56.

La forma realizzativa di figura 5, attualmente preferita, si distingue principalmente da quelle già descritte per il fatto che la caldaia 5 à ̈ utilizzata soltanto per il riscaldamento ambienti tramite le utenze 3 e 51. In questo caso lo scambiatore di calore a serpentino 24 à ̈ alloggiato alfintemo del serbatoio 10 ed à ̈ in collegamento idraulico con l’utenza 51 a bassa temperatura tramite la valvola 25 a tre vie. Un ulteriore scambiatore di calore a serpentino 60 à ̈ alloggiato alfintemo del contenitore di accumulo 19 e collegato idraulicamente alla caldaia 5 per mantenere in temperatura l’acqua sanitaria nel contenitore 19, al fine di aumentare la produzione oraria di acqua calda sanitaria. La regolazione avviene tramite una sonda 61 immersa nel contenitore 19.

Nella forma realizzativa di figura 5 il recupero di energia dall’impianto solare all’ambiente da riscaldare avviene tramite lo scambiatore di calore 24 al di fuori di un intervallo temporale in cui viene richiesto l’intervento della caldaia 5 per integrare entrambi i serbatoi 10 e 11 e viene escluso il recupero energetico per il riscaldamento ambiente.

Claims (10)

1. RIVENDICAZIONI 1. Centrale termica solare per riscaldamento ambienti e produzione di acqua calda sanitaria, particolarmente per abitazioni, comprendente: • una caldaia a combustibile (5) dotata di un ingresso (6) e di un’uscita (7) per un fluido di alimentazione di utenze termiche (3, 51) di riscaldamento ambienti; • almeno un collettore solare (2); ed • almeno un serbatoio (10, 11) di accumulo solare collegato idraulicamente a detto collettore solare (2) per il contenimento e la circolazione di un fluido termovettore riscaldato da detto collettore solare (2); caratterizzata dal fatto di comprendere inoltre: • almeno un contenitore (18, 19) di accumulo di acqua sanitaria alloggiato all’ interno di detto serbatoio (10, 11) e in scambio termico con detto fluido termovettore per riscaldare l’acqua sanitaria aH’intemo di detto contenitore (18, 19); • un condotto (20) di collegamento idraulico tra un ingresso di detto contenitore (18, 19) ed un’alimentazione di acqua sanitaria ed un condotto (22) di collegamento idraulico tra un’uscita di detto contenitore (18, 19) ed una valvola (23) di miscelazione di detta acqua sanitaria con acqua calda prelevata da detto contenitore (18, 19).
2. 2. Centrale termica solare secondo la rivendicazione 1, caratterizzata dal fatto di comprendere inoltre: • uno scambiatore di calore (24) alloggiato aH’intemo di detto serbatoio (10, 11) di accumulo solare e idraulicamente interposto tra l’uscita di dette utenze termiche (3, 51) e detto ingresso (6) della caldaia (5); • mezzi (41, 42) di rilevamento delle temperature all’intemo di detto serbatoio (10, 11) di accumulo solare e all’uscita di dette utenze termiche (3, 51); • mezzi valvolari (25) interposti tra dette utenze termiche (3, 51) e detto scambiatore di calore (24) per deviare una parte del fluido in uscita da dette utenze termiche (3, 51) verso l’ingresso di detto scambiatore di calore (34) quando la temperatura aH’intemo del serbatoio (10, 11) à ̈ superiore a quella di uscita di dette utenze termiche (3, 51).
3. 3. Centrale termica solare secondo la rivendicazione 1 , caratterizzata dal fatto che detto serbatoio (10, 11) di accumulo solare à ̈ realizzato nella forma di due serbatoi di accumulo solare, un primo (10) dei quali à ̈ collegato direttamente al circuito idraulico (13, 14) del collettore solare (2) mentre il secondo (11) à ̈ collegato idraulicamente al primo (10) in modo da creare un ricircolo di fluido termovettore tra i due serbatoi (10, 11), e aH’intemo dei due serbatoi (10, 11) sono alloggiati rispettivi contenitori (18, 19) di accumulo di acqua sanitaria collegati idraulicamente in serie tra loro.
4. 4. Centrale termica solare secondo la rivendicazione 3, caratterizzata dal fatto che detto scambiatore di calore (24) à ̈ alloggiato aH’intemo del secondo serbatoio (11).
5. 5. Centrale termica solare secondo la rivendicazione 4, caratterizzata dal fatto che l’uscita di detta valvola (23) di miscelazione dell’acqua sanitaria à ̈ collegata all’utenza sanitaria tramite detta caldaia (5), che provvede al riscaldamento finale dell’acqua sanitaria erogata all’utenza.
6. 6. Centrale termica solare secondo la rivendicazione 3, caratterizzata dal fatto che detto scambiatore di calore (24) à ̈ alloggiato all’interno del primo serbatoio (10) ed à ̈ previsto un modulo di scambio termico (60) mantenuto ad una temperatura prefissata da detta caldaia (5) ed alloggiato all’interno del contenitore (19) di accumulo di acqua sanitaria inserito nel secondo serbatoio (11).
7. 7. Centrale termica solare secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 1-6, caratterizzata dal fatto di prevedere fonti energetiche suppletive (31, 32) per fornire calore a detto almeno un serbatoio (10, 11) di accumulo solare.
8. 8. Centrale termica solare secondo la rivendicazione 7, caratterizzata dal fatto che una di dette fonti energetiche suppletive (31, 32) comprende una stufa a legna (33).
9. 9. Centrale termica solare secondo la rivendicazione 7, caratterizzata dal fatto che una di dette fonti energetiche suppletive (31, 32) comprende una termo-stufa (35).
10. 10. Centrale termica solare secondo la rivendicazione 7, caratterizzata dal fatto che una di dette fonti energetiche suppletive (31, 32) comprende una termo-cucina (35).