ITUB20155000A1 - Sistema di gestione impianto fotovoltaico - pompa di calore - accumulo termico - Google Patents
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Description
"Sistema di gestione impianto fotovoltaico -pompa di calore - accumulo termico" La presente invenzione ha per oggetto la logica di controllo implementata all·'interno di una centralina elettronica che governi un impianto costituito da:
pompa di calore ad inverter;
impianto solare fotovoltaico collegato alla rete elettrica nazionale (grid connected) ; accumulo/ i termico/i ;
ove non vi è distinzione sulla tipologia di ciascuno dei suddetti componenti . Pertanto, l' invenzione è da intendersi applicabile, a titolo di esempio e non in forma esaustiva, a:
- pompe di calore a ciclo di compressione con motore elettrico
del tipo aria /acqua, acqua /acqua, aria/aria, etc.
impianti solari fotovoltaici a silicio policristallino, monocristallino, amorfo, etc .;
- accumuli di calore sensibile (idronici) o di calore latente (PCM, Phase Change Materials) , serbatoi inerziali o volani termici, termoaccumulatori, puffer, etc.
La centralina elettronica può essere integrata a bordo macchina all'interno della pompa di calore, oppure comunicare con apposito protocollo (Modbus, radiofrequenza, etc.) con la centralina di termoregolazione che governa il funzionamento della pompa di calore.
In accordo alla tecnica nota, le regolazione di una pompa di calore è gestita nella siffatta maniera :
a)in impianti monovalenti, la pompa di calore è dimensionata per affrontare autonomamente l'intero carico termico-f rigorifero dell'edificio; le accensioni sono comandate in funzione dei segnali di temperatura prodotti da sonde all'interno degli accumuli termici serviti dalla macchina, con temperatura di mandata regolata in funzione della temperatura esterna (compensazione climatica del set-point o compensazione dinamica del set-point);
b) in impianti bivalenti con funzionamento alternato, la pompa di calore si attiva quando la temperatura esterna è maggiore di un valore limite prefissato (temperatura bivalente) , lavorando sempre per mantenere le temperature di set-point sugli accumuli termici. Al di sotto della temperatura bivalente, si attiva il sistema integrativo (es . caldaia);
c)in impianti bivalenti con funzionamento parallelo, la pompa di calore lavora contemporaneamente al sistema integrativo in un range di. temperature compreso tra la temperatura di cut-off e la temperatura bivalente; al di sopra della temperatura bivalente , lavora solo la pompa di calore; al di sotto delia temperatura di cut-offrlavora solo il sistema integrativo.
Le sopracitate modalità di funzionamento presentano, allo stato dell'arte, le seguenti lacunosità :
- la scelta progettuale a) costringe a sovradimensionare la taglia della pompa dicalore, con elevati assorbimenti di energia elettrica nei momenti di maggior rigidità climatica e con forti gradi di parzializzazione nel funzionamento ai carichi parziali ;
le scelte progettuali b) e c) comportano 1'implementazione di un sistema ibrido, elevando i costi di investimento iniziali per poter ridurre i costi operativi di gestione, e costringendo a mantenere un doppio vettore energetico (elettricità e combustibile) .
1/ eventuale compresenza di un impianto fotovoltaico a servizio dello stesso edifìcio in cui è installata la pompa di calore non modifica le logiche di cui sopra. Più in generale:
a)qualora non sia presente un sistema di accumulo elettrochimico, la disponibilità istantanea di energia elettrica proveniente da fonte fotovoltaica viene sfruttata per diminuire o soddisfare interamente il carico elettrico richiesto dall'edificio, mentre le eccedenze di produzione vengono riversate nella rote elettrica nazionale attraverso il contatore bidirezionale; b)qualora sia presente un sistema di accumulo elettrochimico, eventuali eccedenze di produzione fotovoltaica vengono stoccate in apposite batterie, dalle quali può essere prelevata energia elettrica al momento dell 'occorrenza, a prescindere dall'istantanea disponibilità di energia da fonte fotovoltaica.
Tuttavia ambedue le soluzioni presentano delle limitazioni :
a)la prima opzione non permette di sfruttare pienamente la disponibilità di energia elettrica gratuita e prodotta da fonte rinnovabile;
b)la seconda opzione eleva le percentuali di autoconsumo,, tuttavia:
- allo stato attuale presenta elevati costi di investimento;
- la durata delle batterie di accumulo è esigua, variando da 3 a 10 anni, in funzione della tipologia;
non tutta 1'energia elettrica stoccata può essere riutilizzata, in quanto le percentuali di carica/scarica si attestano nel range 50% ÷ 80%, in funzione della tipologia;
lo smaltimento delle batterie rappresenta una problematica di tipo ambientale.
Allo scopo di superare la diacronia tra i momenti di produzione di energia elettrica da fonte rinnovabile (solare) e i momenti di richiesta di energia da parte dell'edificio, l'invenzione in oggetto permette di trasformare l'energia elettrica prodotta istantaneamente dall' impianto fotovoltaico in energia termica o frigorifera a mezzo della pompa di calore e di stoccarla in uno o più accumuli di tipo termico, svincolandosi dalle problematiche enucleate al precedente punto b). Altresì, essa permette di prediligere soluzioni progettuali con pompa di calore di tipo monovalente contenendo i costi di investimento, utilizzando un unico vettore energetico (assenza di combustibili fossili) ed assicurando contestualmente la copertura del fabbisogno termico e frigorifero dell'edificio.
La nomenclatura mediante codici che verrà da ora adottata entro parentesi tonde identifica componenti di impianto e grandezze fisiche esplicitati nel disegno allegato (Allegato 1) .* ;;La centralina elettronica (CE) oggetto dell'invenzione riceve i seguenti segnali di input : ;;intensità e verso della corrente elettrica (I) in transito lungo la linea elettrica a valle del contatore bidirezionale costituente l'alimentazione principale (AP) dell'edificio, nonché costituente l'interfaccia dell'impianto elettrico dell'edificio con la rete elettrica nazionale ; ;temperatura/e (T_l, T 2, T N) di uno o più accumuli termici (AT_Ì, AT 2, AT N) presenti nell '.impianto termomeccanico a servizio dell'edificio . ;NOTA: se l'impianto è costituito da più accumuli termici, la sigla AT_1 designa quello che ha la priorità di mantenimento del set-point, AT_N quello meno prioritario, e le altre sigle i serbatoi a priorità intermedia; ;temperatura esterna (T__EXT). ;;La misurazione delle suddette grandezze fisiche avviene rispettivamente attraverso : ;;un trasformatore amperometrico (TA) installato a valle del contatore bidirezionale (AP) e a monte delle linee elettriche di alimentazione dei carichi elettrici dell'edificio (UE); ;una o più sonde di temperatura (es. termoresistenze PTC o termistori NTC con inserimento a pozzetto nell'accumulo}; ;- una sonda di temperatura per installazione esterna (S EXT). ;;Il processore programmabile della centralina elettronica (CE) elabora i segnali di input con la seguente logica: ;;a)Funzionamento ordinario. ;L'assorbimento istantaneo da parte delle utenze elettriche dell'edificio (E_UT) è maggiore della disponibilità di energia elettrica da fonte fotovoltaica (E_FTV) , pertanto vi è un flusso di energia elettrica (E_RETE) proveniente dalla rete elettrica nazionale e diretto verso il carico (UE) per sopperire alla totalità della richiesta di carico elettrico . ;In questo caso, la corrente (I) in transito lungo la linea a valle del contatore (ΔΡ) ha modulo > 0 e verso entrante dalla rete elettrica nazionale verso l'impianto elettrico dell'edificio. La centralina elettronica (CE) elabora questo segnale di input (I), unitamente a quelli di temperatura esterna (T EXT) e di temperatura nell'accumulo/i termico/i (T__l, T^2, T N). In base alla differenza tra la temperatura 1 rilevata nell'accumulo prioritario AT_1 e la sua temperatura di set-point (T SET 1), viene prodotto in output un segnale (S), con logica proporzionale (P), proporzionaleintegrativa (PI) oppure proporzionaleintegrativa-derivativa (PID), Il segnale (S) impone un numero di giri al gruppo motore-compressore della pompa di calore ad inverter (PDC), cioè modula la potenza termica o frigorifera erogata dalla macchina . 11 valore di temperatura dell'acqua di mandata viene stabilito secondo il meccanismo della compensazione climatica, in funzione di T_EXT. Una volta che T 1 collima con il valore T_SET_1, il controllo passa sull'eventuale accumulo termico con priorità secondaria (AT_2): in questo caso la macchina (PDC) lavora affinché T 2 venga riportata al valore T SET 2. I controlli procedono in cascata fino al controllo sull'accumulo termico con minor priorità (AT N). ;;b) Gestione del surplus di produzione da impianto fotovoltaico. ;L'assorbimento istantaneo da parte delle utenze elettriche dell'edifìcio (E_UT) è minore della disponibilità di energia elettrica da fonte fotovoltaica (E_FTV) , pertanto vi è un flusso di energia elettrica (E_RETE) diretto verso la rete elettrica nazionale (surplus di energia prodotta dall'impianto solare fotovoltaico), ;in questo caso, la corrente (I) in transito lungo la linea a valle del contatore (AP) ha modulo > 0 e verso uscente dall'impianto elettrico dell 'edificio verso la rete elettrica nazionale. La centralina elettronica (CE) elabora questo segnale di input (I), produce in output un segnale (S) che impone una rampa di crescita al numero di giri del gruppo motore-compressore della pompa di calore ad inverter (PDC) e contemporaneamente modifica il/i valore/i dì set-point di temperatura nell'accumulo/i termico/ì (AT_1, AT_2, AT_N) con le seguenti modalità : ;se l'accumulo è di acqua riscaldata (es. impianto di riscaldamento oppure acqua calda sanitaria) , il set-point dell'accumulo viene innalzato da T_SET a T_MAX, ove T_SET è il valore nominale e T MAX è l'estremo superiore del range di temperatura di lavoro della pompa di calore (PDC); ;se l'accumulo è di acqua refrigerata (es. impianto di raffrescamente ), il set-point dell'accumulo viene abbassato da T_SET a T MIN, ove T SET è il valore nominale e T MIN è l'estremo inferiore del range di temperatura di lavoro della pompa di calore (PDC). ;L'imposizione della rampa di crescita: ;- mediante inverter aumenta la frequenza di lavoro della macchina (PDC), imprimendo un'accelerazione massima al gruppo motore- compressore, stabilita sulla base dei lìmiti di coppia erogabile dal motore elettrico e della necessità di limitare la quantità d'olio trascinata nel circuito frigorifero durante i transitori; ;impone che la temperatura di mandata della pompa di calore (PDC) prescinda dal valore di T_EXT (interruzione della compensazione climatica) e si attesti al vaiore T MAX o T MIN a seconda dal serbatoio termico su cui la macchina (PDC) sta lavorando; ;- perdura finché il verso della corrente (I) è uscente verso la rete elettrica nazionale e il suo modulo non tende a zero; da quel momento, il/i set-point dell'accumulo/i termico/i ritorna al valore nominale T_SET e la temperatura di mandata dell'acqua prodotta dalla pompa di calore ritorna ad essere funzione della temperatura esterna (T EXT) secondo la curva di compensazione climatica impostata a bordo macchina; ;qualora siano già stati raggiunti i valori di set-point modificati (T_MAX e/o T MIN) negli accumuli termici ed il modulo della corrente (I) permanga ad un valore diverso da zero , viene annullato i1 segnale di output (S) e l'eventuale ulteriore esubero di energia prodotta da fonte fotovoltaica viene immesso nella rete elettrica nazionale . ;Allo scopo di evitare che brevi o repentine variazioni dei carico (E_UT) causino fenomeni di pendolazione ed avvìi intempestivi della macchina (PDC), il segnale di output (S) viene prodotto con un ritardo (DT) prefissato sulla centralina elettronica (CE) rispetto alla lettura del segnale di input (I). ;Forma inoltre oggetto della presente invenzione una centralina elettronica (CE) come precedentemente descritta e dotata di un ingresso dati (es. porta Ethernet) comunicante con una rete dati (RD) dalla quale ricevere i dati di previ sione meteorologica per la giornata successiva nella località prescelta. L'elaborazione dei dati avviene nella siffatta maniera: ;- confronto tra l'irraggiamento solare previsto (IRR PR) e l'irraggiamento solare minimo (IRR_MIN), ove il valore di IRR MIN è ricavato dalla rete dati, mentre il valore di IRR_MIN è ricavato statisticamente dai dati registrati da un solarimetro (SOL) e comunicati alla centralina elettronica (CE): esso rappresenta il valor medio di irraggiamento (IRR) che nei giorni precedenti ha dato luogo ad una corrente (I) di verso uscente dall'impianto elettrico dell'edificio verso la rete elettrica nazionale, cioè quel valore di irraggiamento tale da generare un surplus di produzione di energia elettrica (E FTV > E UT); ;- qualora il valore di irraggiamento solare previsto (IRR PR) sia minore del valore minimo stabilito (IRR MIN), la centralina elettronica (CE) produce un segnale di output (S) che comanda l'accensione della pompa di calore (PDC) durante il periodo notturno, in modo da caricare l'accumulo/i termìco/i (AT_1, AT_2, AT_N) in corrispondenza dei minori prezzi dell'energia elettrica da rete nazionale (tariffa multioraria) ; ;qualora il valore di irraggiamento solare previsto (IRR_PR) sia maggiore del valore minimo stabi]ito (IRR MIN), nulla viene prodotto in output in quanto è previsto che per il giorno seguente la disponibilità di energia proveniente da fonte fotovoltaica in fase diurna sarà bastevole per generare un surplus di energìa tale da alimentare la pompa di calore (PDC}. ;Forma inoltre oggetto della presente invenzione una centralina elettronica (CE) come precedentemente descritta e dotata della seguente funzionalità : nel caso in cui siano già stati raggiunti i valori di set-point modificati (T_MAX e/o T_MIN) negli accumuli termici ed il modulo della corrente (1) non si azzeri e permanga di verso uscente verso la rete elettrica nazionale, il segnale di output (S), invece che azzerarsi come descritto pocanzi, comanda 1'attivazione dei terminali emissivi dell'impianto (IMP), cominciando a scaricare il rispettivo accumulo termico e offrendo la possibilità alla pompa di calore (PDC) di poter produrre ancora energia da stoccare. In questo modo, la capacità di accumulo termico viene estesa dal fluido termovettore contenuto nel/i serbatoio/i alle stesso strutture componenti 1'involucro edilìzio dell' edificio . L'architettura di questo processo permette di ampliare le capacità di stoccaggio e di. ridurre ulteriormente l'evenienza di esportazione verso la rete elettrica nazionale di un flusso energetico prodotto dall'impianto solare fotovoltaico ovvero, in altri termini, di massimizzare 1'autoconsumo dell'edificio. *
Claims (1)
- RI VENDICAZIONI I. Sistema impiantistico a servizio di un edificio, comprendente : almeno un impianto solare fotovoltaico (FTV) di qualsivoglia specie; a.Imeno una pompa di calore ad inverter (PDC) di qualsivoglici specie; ri. l o più accumuli termici (AT 1, AT_N) di qualsivoglia specie; - un sistema di rilevamento del modulo e del verso della corrente elettrica (I) in transito lungo la linea elettrica a valle del contatore bidirezionale (AP) e a monte delle linee elettriche di alimentazione dei carichi elettrici dell'edificio (UE); una o più sonde di temperatura su ciascuno degli accumuli termici presenti ; - una sonda di temperatura per installazione esterna (S EXT); eventualmente un solarimetro (SOL) per la misura del 1'irraggiamento solare (IRR); governato da una centralina elettronica (CE) programmata per: ricevere i segnali di temperatura dagli accumuli termici (T 1, T N); ricevere il segnale di temperatura esterna (T_EXT) ; ricevere il segnale di intensità e verso della corrente elettrica (I); ricevere eventualmente i segnali di irraggiamento (IRR) da parte di un solarimetro (SOL); ricevere eventualmente i dati meteo (IRR_PR) da una rete dati (RD); - produrre un segnale (S) di output per il comando della pompa dì calore (PDC) in funzione dei detti segnali di input ed, eventualmente, per il comando dei terminali di impianto (IMP) dell 'edificio; e integrata a bordo macchina all'interno della pompa di calore, oppure comunicante con apposito protocollo (Modbus, radiofrequenza, etc.) con la centralina di termoregolazione che governa il funzionamento della pompa di calore. Logica di funzionamento di detta centralina elettronica (CE) la quale impone una rampa di crescita al numero di giri del gruppo motore-compressore della pompa di calore ad inverter (PDC) e contemporaneamente modifica il/i valore/i di set-point di temperatura nell' accumulo/i termico/i (AT_1 , AT 2, AT_N) nel caso in cui vi sia un surplus di energia prodotta dall'impianto solare fotovoltaico rispetto all'assorbimento istantaneo da parte delle utenze elettriche dell'edificio (E FTV -E UT > 0). III. Centralina elettronica (CE) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti caratterizzata dal fatto che possa attivare la pompa di calore (PDC) in fase notturna nel caso in cui i dati di previsione meteorologica ricevuti da una rete dati (RD) stimino che per il giorno seguente la disponibilità di energia proveniente da fonte fotovoltaica non sarà bastevole per generare un surplus di energia tale da poter alimentare la pompa di calore. IV. Centralina elettronica (CE) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti caratterizzata dal fatto che possa attivare i terminali emissivi dell 'impianto (IMP) nel caso in cui siano già stati raggiunti i valori di set-point modificati (T MAX e/o T_MIN) negli accumuli termici ed il modulo della corrente (1) non si azzeri e permanga di verso uscente verso .la rete elettrica nazionale .
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