ITVA20110004A1 - Centralina elettronica adattiva e a modulazione di portata, in funzione del reale fabbisogno energetico per impianti solari termici, con logica di controllo delle temperature critiche derivanti dal fluido termovettore e dall'accumulo per acqua calda - Google Patents

Description

DESCRIZIONE dell'invenzione avente per TITOLO:

"CENTRALINA ELETTRONICA ADATTI VA E A MODULAZIONE DI PORTATA, IN FUNZIONE DEL REALE FABBISOGNO ENERGETICO PER IMPIANTI SOLARI TERMICI, CON LOGICA DI CONTROLLO DELLE TEMPERATURE CRITICHE DERIVANTI DAL FLUIDO TERMOVETTORE E DALL'ACCUMULO PER ACQUA CALDA SANITARIA".

Situazione attuale

Caratteristica peculiare delle fonti rinnovabili è la loro non prograramabilità di erogazione; quindi la potenza disponibile di una fonte rinnovabile in un impianto dipende da fattori poco prevedibili e comunque slegati dalla richiesta di energia dell'impianto stesso.

Attualmente i sistemi che impiegano fonti rinnovabili posseggono un dispositivo in grado di disaccoppiare la potenza disponibile dalla fonte rinnovabile rispetto alla potenza richiesta. In base alla forma di energia considerata, tale dispositivo può assumere forme differenti; nel caso in particolare tale dispositivo è rappresentato dalla capacità termica di un accumulo inerziale. (Nel caso di impianti fotovoltaici ad esempio sono impiegati accumulatori elettrici oppure la stessa rete di trasmissione come elemento disaccoppiante tra sorgente e utilizzatore).

P : Pannello

C : Cireolatore

B : Accumulo inerziale

U : Utenza

Esistono in commercio centraline di regolazione che modulano la potenza scambiata ( tra l'utenza che richiede potenza termica e fonte rinnovabile ) mediante una regolazione della portata (Può avvenire impiegando una valvola di regolazione oppure più efficientemente con un cireolatore dotato di inverter o similare) secondo le temperature differenziali: in base alla temperatura del pannello solare e della temperatura (o delle temperature) del bollitore, gestisce il regime di funzionamento della pompa:

a) ON/OFF nel caso di sistemi elementari;

b) MODULANTE nel caso di sistemi avanzati;

Il criterio con il quale viene fatta modulare la pompa si basa sempre su una condizione di funzionamento attuale, mai previsionale.

Inoltre la logica gestisce la pompa in base alla differenza di temperatura tra pannello e bollitore (TP e TB vedi "Tavola N.l"), non considerando i valori assoluti di temperatura degli stessi. Questa logica non è quindi in grado di determinare se avviare la circolazione nel circuito solare e in quale entità, le quali sono funzione della differenza di temperatura tra i due oggetti, e non delle temperature assolute assunte dai due (In realtà le temperature assolute entrano nella regolazione come consenso, questo è indice di verifica dei limiti operativi, e in caso di verifica negativa non daranno il consenso di avvio al funzionamento. Un esempio di limite operativo è la temperatura del bollitore: qualora TB (vedi "Tavola N.l") sia sopra il valore limite, la regolazione viene inibita).

La Problematica

L'impiego di logica sopra descritta, utilizzata nelle attuali centraline di regolazione comporta, in alcune condizioni, dei funzionamenti anomali:

a) Nel periodo estivo si verifica che la temperatura media del circuito solare è talmente elevata da causare un degrado accelerato del fluido termo-vettore; il PH della miscela acqua-glicole decresce ed il fluido diventa acido, aggredendo le parti metalliche. Questa condizione determina una considerevole riduzione della vita dell'impianto.

b) Il sistema di regolazione non modula la cessione di energia in base alla temperatura del bollitore, ma rileva il suo valore per determinare solamente se un'eventuale circolazione del fluido termovettore possa causare una cessione di energia al bollitore.

c) Nei periodi di massima irradiazione la temperatura del bollitore può raggiungere facilmente valori estremi, necessitando quindi di un raffreddamento forzato del bollitore solare. Ciò può avvenire spillando acqua calda dal bollitore, o ad ogni modo causando una richiesta di energia Quanto descritto nel punto(C), determina un funzionamento inefficiente in quanto l'energia accumulata dal pannello nel bollitore, deve essere dispersa per garantire che la temperatura al suo interno resti in un campo di temperatura contenuto ed accettabile. Inoltre ciò determina un consumo anomalo dell'acqua fredda potabile, necessaria per effettuare il ricambio di acqua nel serbatoio (Questa condizione di sovratemperatura del bollitore è tanto più sentita, quanto più sono piccoli i volumi d'acqua riservati alla funzione di "volano termico").

La Soluzione

Per risolvere tale malfunzionamento si impiega una logica di tipo previsionale nella quale si modula la potenza termica introdotta nel

sistema accumulo (Ppann vedi "Tavola N.l"). La caratteristica di

modulazione permette di utilizzare le previsioni circa il prelievo di energia da parte dell'utenza per rendere più efficiente il sistema.

Regolazione della portata del circuito pannello solare in funzione delle condizioni attuali.

La logica modula l'immissione di energia nel sistema seguendo una curva di temperatura ideale, la quale è funzione della potenza immessa dalle fonti rinnovabili, dalla potenza prelevata, dalle ore di sole residue, dalla temperatura massima ammessa e dalla potenza dispersa.

I circolatori impiegati in impianti solari, sono pompe centrifughe. La curva caratteristica delle suddette pompe si modifica, al variare del regime di rotazione della girante nel seguente modo:

La portata varia linearmente con in numero di giri;

La prevalenza varia con la radice quadrata del numero di giri.

Ciò permette di legare il regime di rotazione con la portata dell'impianto nel seguente modo:

Nel quale troviamo i parametri sopra descritti.

• La stima dell'irradiazione solare istantanea (Membro A "Tavola N.l") ;

• La curva ideale di temperatura nel tempo (Membro B "Tavola N.l");

• La capacità residua dell'accumulo termico (Membro C "Tavola N.l");

La potenza dispersa dagli accumuli è trascurabile.

Regolazione della por-tata del circuito pannello solare in funzione dei consumi di ACS futuri .

I consumi futuri che verranno sostenuti dall'utenza sono calcolati come replica dei consumi sostenuti nel passato (funzione di giorno e ora nel quale si è sperimentato il consumo di energia) . Con questa informazione immagazzinata in un database, la logica permette di modulare la potenza immessa nell'accumulo inerziale (Ppann"Tavola N.l") riducendo l'immissione di energia qualora non siano previsti nel futuro prelievi di energia da parte dell'utenza.

I valori di energia relativi ai consumi di ACS vengono ottenuti integrando nel discreto i valori di energia calcolati per il periodo di campionature At.

Per il calcolo dei contributi alla sommatoria di Eacs, si considera che la potenza di prelievo sanitario è di almeno un o.d.g. superiore alla potenza erogata dai pannelli solari in condizione di massima irradiazione, e che la potenza dispersa dal bollitore per dispersione termica, sia molto limitata ed assunta trascurabile. Il bilancio energetico del sistema è:

dove :

E: è l'energia del sistema bollitore [ E = p * cs * ( tb- to) ];

P°tpann<:>è la potenza scambiata dal bollitore con il pannello solare;

Potacs<:>è la potenza scambiata dal bollitore con l'utenza (prelievo Con queste assunzioni (verificate mediante processi sperimentali) è possibile discriminare due regimi:

Regime nel quale avviene un prelievo di energia per uso sanitario, quindi dove Potacsè positiva e comunque sempre superiore a Potpann; Regime diverso dal precedente.

Possiamo assumere un valore limite di velocità di decremento della temperatura del bollitore come elemento discriminante tra i due regimi:

dove:

<S>pann: è la superficie netta dei pannelli in metri quadrati;

rimedia<:>è il rendimento medio valutato in condizioni specifiche;

Vbollitore<:>è il volume del bollitore espresso il litri;

Ocritico<:>è la velocità di variazione critica della temperatura del bollitore espressa in °C/min;

costante: è il valore dipendente dalla natura del fluido. Nel caso di impianto con acqua, il suo valore è pari a -18,63.

Quindi la logica prevede di valutare come energia di prelievo sanitario la variazione di energia del bollitore, pari a:

se la derivata della temperatura del bollitore rispetto al tempo è inferiore al valore di OcritiCo valutata nel tempo di campionamento At (pari ad un minuto ed è in funzione della precisione delle sonde di temperatura (0,1 °C per il nostro caso) . Pertanto il consumo di energia per produrre acqua calda sanitaria (Eacs), espresso in kJ è pari a:

I consumi futuri si prevedono come replica dei consumi sperimentati nel passato. Il criterio prevede di creare un array contenente i consumi di Eacs calcolati secondo il punto precedente. I valori di energia per la produzione di acqua calda sanitaria sono memorizzati secondo il giorno della settimana (LUN — DOM) e secondo la mezz'ora del giorno (6:00 -21:30).

Graficamente ogni valore di Eacs è indicizzato secondo il giorno della settimana e secondo l'ora del giorno:

I valori di Eacs vengono aggiornati come media aritmetica del valore storico presente con il valore di Eacs appena calcolato (secondo il punto precedente).

Tali valori permettono di calcolare una temperatura del bollitore fittizia

(denominata t bollitore ( che contenga anche eventuali prelievi di energia futuri:

xi rappresenta la porzione di Eacsdella mezz'ora i-esima interessata al calcolo. Con queste grandezze la modulazione avviene:

Claims (9)

1. RIVENDICAZIONI dell'invenzione avente per TITOLO: "CENTRALINA ELETTRONICA ADATTIVA E A MODULAZIONE DI PORTATA, IN FUNZIONE DEL REALE FABBISOGNO ENERGETICO PER IMPIANTI SOLARI TERMICI, CON LOGICA DI CONTROLLO DELLE TEMPERATURE CRITICHE DERIVANTI DAL FLUIDO TERMOVETTORE E DALL'ACCUMULO PER ACQUA CALDA SANITARIA". 1) Logica di regolazione che permette di modulare la potenza immessa nel sistema composto da accumulo termico inerziale, sorgente di calore da fonte rinnovabile (es. energia solare), prelievo di energia non prevedibile (es. utenza domestica) e circolatore semplice o provvisto di inverter. Tale sistema impiega una logica che modula la potenza immessa nell'accumulo (o qualsiasi elemento disaccoppiante come descritto in Descrizione) secondo la condizione di funzionamento attuale e secondo le previste condizioni di funzionamento, descritte nel dettaglio nelle rivendicazioni successive. La modulazione della potenza avviene variando la portata del circuito solare; tale operazione avviene variando il numero di giri della pompa di circolazione.
2. 2) La modulazione avviene secondo un sistema combinato PLC-inverter, schede elettroniche e componenti elettromeccanici, nonché elementi predisposti per la rilevazione della temperatura (chiamate da ora in poi sonde T) . I componenti della centralina possono essere installati all'interno della stessa oppure de-localizzati in più parti dell'impianto.
3. 3) Con riferimento alla rivendicazione (1) si precisa che la logica di termoregolazione è contenuta all'interno del PLC ( o schede similari), la quale elabora l'algoritmo di regolazione impiegando i dati provenienti dalle sonde T, e i dati precedentemente calcolati. L'algoritmo calcola un segnale elettrico lineare con il regime di rotazione del circolatore.
4. 4) Elementi caratterizzanti della logica di regolazione sono la capacità di calcolare una grandezza/indice/valore che identifica l'energia prelevata dall'utenza in un certo periodo, la capacità di prevedere i consumi futuri in base ai consumi precedenti, nonché la capacità di mantenere la temperatura dell'accumulo sotto la temperatura massima operativa (L'accumulo può essere a singolo o a più scambiatori di calore), per mezzo della logica richiamata ai punti precedenti.
5. 5) I consumi dell'utenza vengono quantificati come decremento energetico che si assiste nel bollitore qualora si verifica la condizione specificata di seguito.

   La frequenza di campionamento, sono da definirsi in base al sistema. La (costante) è in funzione della natura del fluido. Viene confrontato la rapidità del decremento di temperatura nel bollitore con un valore constante calcolato in base alla superficie totale netta dei pannelli radianti, ad un rendimento medio del pannello e in base al volume dell'accumulo. I consumi energetici vengono memorizzati su base temporale ed aggiornati mediando opportunamente i valori ricalcolati nei cicli successivi.
6. 6) La modulazione del regime di rotazione del cireolatore avviene secondo la seguente relazione:

   Dove C0, Ci, C2, C3sono costanti opportune; Tenitore"<1355>è la massima temperatura assumibile dal bollitore (circa 90°C); xt è una grandezza lineare con il tempo che assume il valore massimo all'inizio della giornata solare e valore minimo alla fine del periodo giornaliero di insolazione; tpe tj,<e>sono rispettivamente la temperatura del fluido in uscita al pannello e la temperatura del bollitore così definita:

   dove tboiiitore è la temperatura rilevata dalla sonda T in un punto centrale dell'accumulo, xi è la frazione di energia Eacs che interessa l'istante in cui viene eseguito il calcolo.
7. 7) In base a quanto detto nei punti (1)(2)(4), il contenimento delle sovra-temperature avviene con un funzionamento intermittente di tipo ON— OFF. Tale modalità di funzionamento, mantiene il cireolatore spento finché non si assiste ad un superamento della soglia da parte della temperatura Tp. Lo spegnimento dello stesso si verifica quando la temperatura Tpè scesa sotto un diverso valore soglia. Le soglie dipendono dalle caratteristiche dinamiche del sistema.
8. 8) La logica di funzionamento descritta al punto (7) può essere attivata manualmente (qualora l'utente preveda carichi d'utenza bassi) oppure in automatico in base a differenti criteri.
9. 9) Le formule introdotte ai punti (5)e(6) introducono costanti letterali che possono assumere valori differenti rispetto a quello proposti dagli autori. Tuttavia, basandosi su principi fisici universali gli andamenti delle grandezze temperatura, portata volumetrica e potenza rimangono invariati.