ES2239436T3 - Metodo y aparato para controlar el calor suplementario en un sistema de bomba de calor. - Google Patents
Metodo y aparato para controlar el calor suplementario en un sistema de bomba de calor.Info
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Abstract
SE DESCRIBE UN PROCEDIMIENTO Y APARATO PARA CONTROLAR EL CALOR SUPLEMENTARIO AÑADIDO A LA CORRIENTE DE AIRE QUE PASA DESDE UNA BOBINA INTERIOR A UN CONDUCTO DE SUMINISTRO DE AIRE DE UN SISTEMA DE BOMBA DE CALOR, SIENDO EL SISTEMA DE BOMBA DE CALOR, SIENDO EL SISTEMA DE BOMBA DE CALOR DEL TIPO QUE INCLUYE UN TERMOSTATO INTERIOR CON UN PRIMER PUNTO DE AJUSTE PARA INICIAR EL SUMINISTRO DE CALOR POR PARTE DEL SERPENTIN INTERIOR, Y UN SEGUNDO PUNTO DE AJUSTE PARA INICIAR EL CALOR ADICIONAL SUMINISTRADO POR MEDIOS SUPLEMENTARIOS DE CALENTAMIENTO. LOS ELEMENTOS SUPLEMENTARIOS DE CALENTAMIENTO INCLUYEN UN ELEMENTO AJUSTABLE DE CALENTAMIENTO DE SALIDA PARA CALENTAR EL AIRE QUE PASA DESDE EL SERPENTIN INTERIOR AL CONDUCTO DE ALIMENTACION DE AIRE. LA TEMPERATURA DE DESCARGA DEL SERPENTIN DE LA CORRIENTE DE AIRE CALENTADA POR EL SERPENTIN INTERIOR SE DETERMINA EN UNA POSICION ENTRE EL SERPENTIN INTERIOR Y LOS MEDIOS SUPLEMENTARIOS DE CALENTAMIENTO. EL ELEMENTO AJUSTABLE DE CALENTAMIENTO DE SALIDA SE ACTIVA SELECTIVAMENTE EN RESPUESTA A LA TEMPERATURA DE DESCARGA DEL SERPENTIN, INDEPENDIENTE DEL SEGUNDO PUNTO DE AJUSTE DEL TERMOSTATO INTERIOR.
Description
Método y aparato para controlar el calor
suplementario en un sistema de bomba de calor.
La presente invención se refiere a un método y a
un aparato para controlar el calor suplementario en una bomba de
calor, en los que se utiliza un elemento de calentamiento
controlable en combinación con el serpentín y el ventilador internos
para calentar el aire acondicionado, y se controla principalmente
en base a la temperatura del aire que abandona el serpentín y el
ventilador internos, sustancialmente independiente de la
temperatura medida en el termostato de interior. La temperatura del
aire que abandona el serpentín y el ventilador internos puede
medirse directamente o predecirse en base a la temperatura del
medio ambiente exterior medida.
Los sistemas de bomba de calor utilizan un
refrigerante para transportar energía térmica entre un extremo
relativamente más caliente de un bucle de circulación, en el que la
compresión del refrigerante por un compresor eleva la temperatura
del refrigerante, y un extremo relativamente más frío del bucle en
el que se permite que el refrigerante se expanda, produciendo una
bajada de la temperatura. La energía térmica se añade al
refrigerante en un extremo del bucle y se extrae del refrigerante en
el otro extremo debido a las diferencias de temperatura entre el
refrigerante y el aire interno y externo, respectivamente, para
hacer uso del aire externo como fuente de energía térmica.
Las bombas de calor utilizadas en la calefacción
y refrigeración de viviendas son bidireccionales, en donde
disposiciones adecuadas de válvulas y controles dirigen
selectivamente el refrigerante a través de intercambiadores interno
y externo de calor de forma que el intercambiador interno de calor
se encuentra en el extremo caliente del bucle de circulación del
refrigerante para calefacción y en el extremo frío para
refrigeración. Un ventilador de circulación hace pasar el aire
interno sobre el intercambiador interno de calor y a través de
conductos que conducen al espacio interior. Conductos de retorno
extraen aire del espacio interior y llevan el aire de nuevo al
intercambiador interno de calor. Un ventilador similar hace pasar el
aire ambiente sobre el intercambiador externo de calor y libera
calor al aire libre, o extrae del mismo el calor disponible.
Estos tipos de sistemas de bombas de calor
solamente pueden funcionar si existe una diferencia de temperaturas
adecuada entre el refrigerante y el aire en el respectivo
intercambiador de calor para mantener una transferencia de energía
térmica. Para calefacción, el sistema de bomba de calor es eficiente
siempre que la diferencia de temperaturas entre el aire y el
refrigerante sea tal que la energía térmica disponible sea mayor
que la energía eléctrica necesaria para hacer funcionar el compresor
y los respectivos ventiladores. Normalmente, la diferencia de
temperaturas es suficiente para una refrigeración eficaz, incluso
en días cálidos. Sin embargo, para calefacción cuando la
temperatura del aire exterior se encuentra por debajo de alrededor
de -4ºC (25 F), el sistema de bomba de calor puede ser incapaz de
extraer el suficiente calor del aire exterior como para compensar
la pérdida de calor del espacio debido a la convección, conducción
y radiación del calor desde la estructura hacia el aire libre.
Cuando la bomba de calor es incapaz de
proporcionar suficiente calor a la estructura (es decir, la
temperatura externa está por debajo del punto de equilibrio entre
la carga del edificio y la capacidad de la bomba de calor), se
dispone un elemento de calentamiento suplementario en el conducto
del aire acondicionado aguas abajo del serpentín intercambiador de
calor interno para suministrar el calor adicional requerido para
mantener la temperatura del aire interior deseada. La activación del
calentamiento suplementario se controla, normalmente, por un
termostato de interior, mediante el que los ocupantes fijan una
temperatura deseada a mantener en el espacio por el funcionamiento
del sistema de calefacción.
Los sistemas de control convencionales de las
bombas de calor utilizan un termostato de temperatura ambiente con
dos etapas de calentamiento y una etapa de refrigeración. A una
primera demanda de calentamiento por parte del termostato, se
activan los ventiladores y el compresor de la bomba de calor para
extraer calor del aire exterior y liberar el calor dentro de la
vivienda. La bomba de calor suministra aire a la estructura
(normalmente a alrededor de 27ºC (80ºF)) hasta que la temperatura
interna alcanza el valor fijado en el termostato (es decir, el
primer valor fijado) y después se desactiva. Si la pérdida de calor
de la estructura es mayor que la capacidad de la bomba de calor, lo
que ocurre cuando disminuye la temperatura externa, la bomba de
calor no puede elevar la temperatura del aire interior hasta la
temperatura deseada. De este modo, la temperatura interna continua
descendiendo.
El termostato de temperatura ambiente tiene un
segundo medio de conmutación que se activa a una temperatura
ligeramente inferior a la temperatura deseada a la que se activa el
primer medio de conmutación. Convencionalmente, cuando la
temperatura ambiente cae por debajo del segundo valor fijado
definido por el termostato, se aplica corriente al elemento de
calentamiento suplementario. El elemento de calentamiento
suplementario suministra el calor adicional necesario para elevar la
temperatura interna hasta la temperatura del segundo valor fijado
(normalmente, el aire acondicionado se encuentra a alrededor de
52ºC (125ºF)), y después la bomba de calor trabaja sola para
suministrar calor a la estructura hasta que se alcanza la
temperatura del primer valor fijado.
Sin embargo, como se explica en la patente de
Estados Unidos número 5.367.601 (en la que se basa el preámbulo de
la reivindicación 9), los controles convencionales con dos etapas
de calentamiento producen fuertes variaciones en la temperatura del
aire acondicionado que se introduce dentro de la estructura por el
sistema de bomba de calor. Tales fuertes variaciones de temperatura
(por ejemplo de 27ºC a 52ºC (de 80ºF a 125ºF)) son incómodas para
los ocupantes y afectan adversamente a la eficacia del sistema de
bomba de calor. En un intento para mejorar el confort de los
ocupantes, la patente 5.367.601 propone un sistema de control que
proporciona un control más estrecho del funcionamiento del
calentamiento suplementario, mediante la medida de la temperatura
del aire acondicionado y el control continuo de la condición de
activado/desactivado del calentamiento suplementario. Mientras que
esta propuesta representa grandes avances en el mantenimiento de la
temperatura del aire acondicionado a un valor dado, tiene al menos
dos inconvenientes importantes.
En primer lugar, el calentamiento suplementario
solamente se utiliza cuando se produce una segunda demanda de
calentamiento procedente del termostato de interior. Esto hace más
difícil el mantener la temperatura del aire acondicionado a un
valor constante predeterminado, ya que el calentamiento
suplementario nunca tiene lugar durante la primera etapa de
calentamiento.
En segundo lugar, el sensor de temperatura debe
situarse en el conducto de abastecimiento de aire de la canalización
del edificio por el técnico que instala la bomba de calor.
Variaciones en la posición del sensor pueden conducir a variaciones
en la exactitud de la medida de la temperatura, que a su vez pueden
conducir a un control erróneo del calentamiento suplementario por
parte del controlador.
La patente de Estados Unidos número 4.141.408
describe también medios de control para controlar elementos de
calentamiento suplementario en un sistema de bomba de calor. Esta
patente propone utilizar sensores situados en el serpentín interno
para medir la temperatura del aire a la salida del serpentín. Los
sensores están conectados a relés que se cierran para activar uno o
dos elementos de calentamiento de salida fija. Este sistema es
incapaz de evitar las fuertes variaciones en la temperatura del
aire acondicionado porque no existen medios para hacer funcionar los
elementos de calentamiento suplementario durante la primera etapa
de calentamiento. Tampoco existen medios para controlar con
precisión el funcionamiento de los elementos de calentamiento,
porque simplemente se conectan o desconectan en respuesta a las
temperaturas medidas por los sensores.
La patente de Estados Unidos número 5.332.028
describe también un sistema de bomba de calor que tiene calor
suplementario para su aplicación al aire acondicionado durante los
periodos de funcionamiento en descongelación con el fin de evitar
una condición de "soplo frío" mientras la bomba de calor
funciona en el modo descongelación. Esta patente propone activar un
elemento de calentamiento suplementario en respuesta a la
temperatura medida del aire acondicionado durante la descongelación
y en consecuencia suministra calor adicional en las etapas
necesarias para mantener el nivel de temperatura del aire
acondicionado en un nivel confortable durante la descongelación.
Sin embargo, este sistema requiere también que el técnico de
instalación coloque el sensor de temperatura del aire acondicionado
y por consiguiente presenta el mismo inconveniente ya comentado
anteriormente. Además, no existen medios por los que los elementos
de calentamiento suplementario puedan controlarse con precisión con
el fin de evitar las fuertes variaciones de temperatura del aire
acondicionado mencionadas anteriormente. Además, los elementos de
calentamiento suplementario no funcionan durante la primera etapa de
calentamiento para asegurar en cualquier momento una temperatura
constante del aire acondicionado.
Por consiguiente, es un objeto de la presente
invención mantener la temperatura del aire acondicionado generado
por un sistema de bomba de calor a un nivel sustancialmente
constante mediante un control preciso de los elementos de
calentamiento suplementario, mientras se elimina la posibilidad de
errores de instalación en lo que respecta a la ubicación del sensor
de temperatura aguas abajo del serpentín interno.
En un primer aspecto, la invención proporciona un
método como el reivindicado en la reivindicación 1, y en un segundo
aspecto, la invención proporciona un aparato como el reivindicado
en la reivindicación 9.
La presente invención, en sus realizaciones
descritas, proporciona un método para mantener una temperatura del
aire acondicionado sustancialmente constante en un sistema de bomba
de calor mediante un control preciso del calor suplementario
suministrado a la corriente de aire que pasa desde un serpentín
interno a un conducto de abastecimiento de aire del sistema de
bomba de calor. El sistema de bomba de calor es del tipo que
incluye un termostato de interior que tiene un primer valor fijado
para iniciar el calentamiento proporcionado por el serpentín
interior y un segundo valor fijado para iniciar el calentamiento
adicional proporcionado por los elementos de calentamiento
suplementario. El método incluye los pasos de disponer un elemento
de calentamiento de salida ajustable aguas abajo del ventilador y
del serpentín internos para calentar el aire que pasa desde el
serpentín interno hacia el conducto de abastecimiento de aire. Un
controlador basado en un microprocesador mide la temperatura del
aire externo o la temperatura a la salida del serpentín de la
corriente de aire calentada por el serpentín interno en un punto
entre el serpentín interno y el elemento de calentamiento de salida
ajustable, y después aplica corriente de forma selectiva al elemento
de calentamiento de salida ajustable en respuesta a la temperatura
medida, con independencia del segundo valor fijado del termostato
de interior. Si el elemento de calentamiento de salida ajustable
sólo no puede ayudar al serpentín interno a mantener la temperatura
del aire acondicionado en un valor de temperatura predeterminado,
entonces pueden utilizarse también uno o más elementos de
calentamiento de salida fija.
La presente invención se basa en la afirmación de
los inventores de que, para mantener la temperatura del aire
acondicionado en un valor de temperatura de referencia
predeterminado, de digamos 40ºC (105ºF), algunas veces puede llegar
a ser necesario añadir calor suplementario al aire acondicionado
cuando el sistema de bomba de calor está funcionando sólo en la
primera etapa (es decir, en respuesta a la primera demanda
procedente del termostato de interior). Los inventores afirman
también que el uso de elementos de calentamiento de salida fija,
incluso si se utilizan durante la primera etapa de la actividad de
la bomba de calor, a menudo suministra demasiado calor al aire
acondicionado, generando de este modo el problema de la fuerte
variación de la temperatura experimentado por los sistemas
anteriores.
La invención resuelve este problema utilizando un
elemento de calentamiento de salida ajustable en combinación con el
serpentín interno durante la primera etapa de funcionamiento de la
bomba de calor. Al elemento de calentamiento de salida ajustable se
le aplica corriente con independencia del segundo valor fijado del
termostato de interior, no siendo necesario que exista una demanda
de calor suplementario procedente del termostato antes de que se
aplique corriente al elemento de calentamiento de salida ajustable.
De esta manera, puede aplicarse corriente al elemento de
calentamiento de salida ajustable durante el calentamiento de la
primera etapa proporcionado por el serpentín interno para mantener
el aire acondicionado a una temperatura de referencia
predeterminada, sustancialmente constante (por ejemplo de 40ºC
(105ºF)). Si la demanda sobre el elemento de calentamiento de salida
ajustable excede su capacidad de salida, entonces también puede
aplicarse corriente a los elementos de calentamiento de salida fija
de uno en uno con el fin de satisfacer la carga del edificio. Y, si
la carga hace que el termostato demande calor suplementario, el
funcionamiento del elemento de calentamiento de salida ajustable
puede ser liberado si es necesario, de forma que pueda
suministrarse toda la potencia a tantos elementos de calentamiento
suplementario (incluyendo el elemento de calentamiento de salida
ajustable) como sean necesarios para satisfacer la segunda demanda
procedente del termostato.
La presente invención resuelve también los
problemas de posicionamiento del sensor comentados anteriormente,
al utilizar un sensor instalado en fábrica situado en el extremo
aguas abajo del serpentín interno o, alternativamente, utilizando un
sensor externo. En ambos casos, no existe error de calibración
introducido en el sistema porque no existe necesidad de que el
instalador posicione el sensor en una posición precisa en la
canalización de abastecimiento de aire del edificio a calentar.
Estos y otros objetos de la invención se
entenderán mejor mediante la lectura de la siguiente descripción
detallada en combinación con los dibujos adjuntos de una
realización preferida de la invención:
- la figura 1 es una representación gráfica de la
parte de un serpentín interno de un sistema de bomba de calor que
tiene incorporada al mismo la presente invención;
- la figura 2 es una vista en perspectiva de la
parte del módulo de calentamiento eléctrico de un sistema de bomba
de calor que tiene incorporada al mismo la presente invención;
y
- la figura 3 es un gráfico que muestra la
capacidad de la bomba de calor y los requisitos de carga del
edificio en relación con la temperatura externa y con la temperatura
del aire acondicionado.
Con referencia ahora a la figura 1, la invención
se indica globalmente por la referencia numérica 10 como
incorporada en una parte 11 del serpentín interno que tiene una
cámara de aire de retorno 12, una cámara de aire acondicionado 13 y
un conjunto de motor del ventilador 14 para aspirar el aire de la
cámara de aire de retorno 12 y devolverla al espacio que debe
acondicionarse por medio de la cámara de aire acondicionado 13.
Dentro del sistema se dispone un serpentín interno 16 y existe
refrigerante circulando por todo él con el fin de enfriar o calentar
el aire que pasa sobre el serpentín 16 cuando circula a través del
sistema. El serpentín interno 16 actúa como un evaporador en el
modo refrigeración para eliminar calor del aire interior y como un
condensador en el modo calefacción para proporcionar calor al aire
interior. Durante el modo descongelación, el sistema conmuta del
modo calefacción a un modo refrigeración para permitir que el calor
del aire interior se transfiera por medio del refrigerante al
serpentín externo para facilitar la descongelación del mismo.
Un módulo de calentamiento eléctrico 17 se sitúa
justo aguas abajo del conjunto de motor del ventilador 14.
Convencionalmente, a los elementos de calentamiento por
resistencias eléctricas del módulo 17 se les aplica corriente para
suplementar a la bomba de calor cuando la temperatura externa es
baja (por ejemplo, menor de 0ºC (32ºF)). Este módulo se usa también
durante el modo descongelación para calentar el aire que se
introduce en el espacio a acondicionar mientras se elimina calor del
aire de retorno con el propósito de descongelar el serpentín
externo. De acuerdo con la presente invención, este módulo se
activa también durante la primera etapa de funcionamiento de la
bomba de calor (es decir, cuando el serpentín interno está,
normalmente, actuando solo para proporcionar el aire acondicionado
calentado). Este aspecto de la invención se explicará más adelante
con más detalle.
Se dispone un controlador 18 basado en
microprocesador para controlar el sistema de bomba de calor completo
en respuesta a las señales recibidas desde un termostato de interior
(no mostrado) y un sensor de temperatura 19, tal como un termistor
o equivalente. El termistor 19 funciona midiendo la temperatura del
aire que abandona el serpentín interno. El termistor 19 puede
usarse también para medir la temperatura del aire exterior, y en
ambos casos las señales de temperatura se suministran al
controlador 18 por medio de cables 21 durante el funcionamiento de
la bomba de calor.
El serpentín interno 16 está conectado a un
circuito de refrigeración de bucle cerrado estándar que incluye un
compresor 22, una válvula de 4 vías 23, un serpentín externo 24 con
un ventilador 26, y válvulas de expansión 27 y 28. La válvula de 4
vías se activa selectivamente por medio del controlador 18 para que
funcione en los respectivos modos de refrigeración, calefacción y
descongelación, con la válvula de expansión 28 funcionando para
dosificar el flujo hacia el serpentín interno 16 o la válvula de
expansión 27 funcionando para dosificar el flujo del refrigerante
hacia el serpentín externo 24. El controlador 18 puede utilizarse
asimismo para hacer funcionar selectivamente el compresor 22 y el
ventilador 26.
El módulo de calentamiento eléctrico 17 se
muestra con mayor detalle en la figura 2 incluyendo una pluralidad
de elementos de calentamiento mediante resistencias eléctricas 29
que están conectadas a un par de conductores de alimentación 31 por
medio de un relé (no mostrado) controlado por el controlador 18. Los
elementos de calentamiento 29 se extienden hacia atrás dentro de la
cámara de aire acondicionado 13 y son soportados verticalmente por
una pluralidad de varillas de soporte 32, que tienen la forma
mostrada. Cada uno de los elementos de calentamiento tiene,
preferentemente, una potencia máxima de 5 kW, aunque también pueden
utilizarse elementos de otras potencias. Uno de los elementos de
calentamiento es ajustable, en pasos tan pequeños como 100 W, desde
0 hasta 5 kW. Los elementos restantes, preferentemente hasta tres
elementos adicionales, son todos fijos, preferentemente con el mismo
nivel de potencia de salida. La figura 2 muestra un montaje con
sólo dos elementos.
La figura 3 muestra un gráfico de la temperatura
del aire acondicionado en función de la temperatura externa, e
incluye la línea CBC que muestra la capacidad de la bomba de calor
(determinada por los parámetros de la propia bomba de calor) y la
línea CE que muestra los requisitos de calentamiento del edificio
(carga del edificio). La figura 3 muestra que la capacidad de la
bomba de calor disminuye y la carga del edificio aumenta, ambas de
forma sustancialmente lineal, a medida que disminuye la temperatura
externa. El punto de equilibrio se produce donde se cruzan las dos
líneas. Convencionalmente, la primera etapa de un sistema de bomba
de calor se emplea, normalmente, para servir las necesidades de la
carga con temperaturas externas superiores al punto de equilibrio,
mientras que la segunda etapa de calentamiento (calentamiento
suplementario) se añade al abastecimiento de aire del sistema con
temperaturas externas inferiores al punto de equilibrio. El punto
de equilibrio para el sistema representado gráficamente en la
figura 3 es de alrededor de 1ºC (34ºF).
Con el fin de mantener una temperatura de
referencia del aire acondicionado, digamos de 40ºC (105ºF) (la
línea horizontal TR de la figura 3), la presente invención controla
selectivamente la potencia suministrada al elemento de
calentamiento con salida ajustable en base a la siguiente
fórmula:
kW =
constante\ x\ CFM\ x\ (T2 -
T1)
donde
- T2 es la temperatura de referencia objetivo (TR) del aire acondicionado,
- T1 es la temperatura del aire que abandona el serpentín interno, y
- CFM es el flujo de aire a través del sistema (que se conoce exactamente para algunos modelos de ventiladores y aproximadamente para otros modelos de ventiladores),
(la constante asegura simplemente
la reconciliación entre las diversas unidades). Cuando se mide T1 a
la salida del serpentín interno, dicha medida se utiliza
directamente en la fórmula anterior. Sin embargo, cuando se mide la
temperatura externa, T1 se predice por extrapolación a partir del
gráfico mostrado en la figura 3. Esto puede hacerse completamente
dentro del controlador 18 utilizando técnicas de búsqueda bien
conocidas.
De acuerdo con la invención y con referencia a la
figura 3, el controlador solicita periódicamente al sensor 19 una
lectura de la temperatura (T1). El controlador calcula entonces el
número de kW de potencia que debe aplicarse al elemento de
calentamiento de salida ajustable. Si se ha producido una demanda
procedente del termostato de interior para la primera etapa de
calentamiento, pero T1 es igual a T2, el sistema utilizará
solamente la primera etapa de calentamiento, como se representa por
la sección de SOLAMENTE BC del gráfico de la figura 3. Sin embargo,
si T1 es inferior a T2, el controlador calculará la potencia a
aplicar al elemento de calentamiento de salida ajustable utilizando
la fórmula anterior, y controlará entonces la potencia a
suministrar al elemento de calentamiento de salida ajustable
utilizando un relé de estado sólido.
El método preferido para suministrar potencia al
elemento de calentamiento de salida ajustable se explicará a
continuación por medio de un ejemplo. Supongamos que los
requerimientos de potencia calculada para el elemento de
calentamiento de salida ajustable sean de 2 kW y que la máxima
potencia del elemento de calentamiento de salida ajustable sea de 5
kW. Esto significa que se requiere el 40% de la potencia máxima del
elemento de calentamiento de salida ajustable para elevar la
temperatura T1 hasta la temperatura de referencia T2 (TR). Se aplica
corriente al elemento de calentamiento de salida ajustable durante
un número fijo de periodos de línea, digamos 100 periodos de línea,
por ejemplo. Si el cálculo determina que se requiere el 40% de la
potencia máxima del elemento de calentamiento de salida ajustable,
entonces la corriente se conectará a dicho elemento durante 40
periodos de línea y después se desconectará durante 60 periodos de
línea. Esto produce la salida necesaria de 2 kW del elemento de
calentamiento de salida ajustable. Esta aplicación cíclica de
corriente al elemento de calentamiento ajustable se repite
continuamente mientras el controlador mide (a través del sensor 19)
que T1 es menor que T2.
Preferentemente, la potencia para el elemento de
calentamiento de salida ajustable se cambia de forma incremental,
digamos en pasos tan pequeños como del 2% de la potencia máxima,
con el fin de permitir un control preciso de la temperatura del
aire acondicionado. Por consiguiente, si la primera vez que se midió
T1 se demandó un 40% de la potencia máxima, pero T1 ha disminuido
en el siguiente ciclo de lectura y el controlador calcula ahora que
es necesario un 45% de la potencia máxima (es decir, 2,25 kW) para
elevar T1 hasta T2, entonces la potencia para el elemento de
calentamiento de salida ajustable se incrementa un 5% (es decir, se
conecta y desconecta continuamente durante 45 y 55 periodos de
línea, respectivamente) hasta que T1 se eleva hasta T2. Aunque
utilizando la presente invención pueden conseguirse incrementos del
2%, probablemente sólo se necesiten incrementos del 5% de la
potencia máxima para hacer frente a las fluctuaciones de T1.
Si la potencia calculada excede la potencia
máxima del elemento de calentamiento de salida ajustable (por
ejemplo, 5 kW), entonces el controlador aplicará corriente a uno de
los elementos de calentamiento de salida fija adicionales (por
ejemplo de 5 kW cada uno) y entonces la potencia para el elemento
de calentamiento de salida ajustable se cambiará, de forma
continua, para satisfacer la demanda de potencia que exceda de los
5 kW.
Preferentemente, el elemento de calentamiento de
salida ajustable se conecta y desconecta por medio de un relé de
estado sólido, mientras que el resto de elementos se conectan y
desconectan utilizando relés electromecánicos. El relé de estado
sólido se actúa por medio de un circuito activador de relés
incorporado en el controlador 18. El relé de estado sólido posee
una circuitería de paso por cero que conecta y desconecta el
elemento de calentamiento de salida ajustable solamente cuando el
ciclo de línea pasa por cero voltios. De este modo, el retardo de
conexión/desconexión de medio periodo de línea limita el menor
tiempo de conexión del elemento de calentamiento a 2 periodos de
línea. En el caso de un elemento de calentamiento con una potencia
máxima de 5 kW y funcionando en una base de tiempos de 100 periodos
de línea, la salida mínima de potencia sería, por consiguiente, de
100 W.
Las líneas parciales F1, F2 y F3 de la figura 3,
que son paralelas a la línea de capacidad de la bomba de calor,
muestran el efecto de aplicar corriente a elementos de
calentamiento fijos de 5 kW. La región triangular rayada R1 muestra
la capacidad añadida como resultado de activar el elemento de
calentamiento de salida ajustable de la forma descrita
anteriormente. La región triangular rayada R2 muestra la capacidad
añadida como resultado de activar el elemento de calentamiento de
salida ajustable mientras el controlador aplica corriente a un
primer elemento de calentamiento fijo adicional de 5 kW. Estas
regiones R1 y R2 están delimitadas por la línea de temperatura de
referencia TR (40ºC (105ºF) en la figura 3). La intersección de la
línea TR con las líneas CE y CBC marca el margen de temperaturas
externas en el que al elemento de calentamiento de salida ajustable
(región R1) y, si es necesario, a uno de los elementos de
calentamiento de salida fija adicionales (región R2) se aplica
corriente cíclicamente junto con la primera etapa de calentamiento
suministrado por el serpentín interno. A la izquierda de la
intersección de la línea TR con la línea CE la capacidad de la
bomba de calor es tan pequeña que el sistema desconecta de forma
permanente el serpentín interno y utiliza la pluralidad de elementos
de calentamiento (incluyendo el elemento de calentamiento de salida
ajustable, como se muestra en las regiones rayadas R3, R4 y R5) con
el fin de satisfacer la demanda de carga del edificio.
De acuerdo con la presente invención, la
temperatura del aire acondicionado puede mantenerse a una
temperatura sustancialmente constante, tanto durante la primera como
durante la segunda etapa de calentamiento, por el uso de un
elemento de calentamiento de salida ajustable en combinación con
elementos de calentamiento de salida fija adicionales.
Adicionalmente, la posibilidad del error inducido
por el instalador puede evitarse por la utilización de un sensor de
la temperatura instalado en fábrica en el extremo aguas abajo del
serpentín interior o de un sensor de temperatura externa de
fabricación normalizada.
Claims (17)
1. Un método para controlar el calor
suplementario suministrado a una corriente de aire que pasa desde un
serpentín interno (16) a un conducto de abastecimiento de aire de un
sistema de bomba de calor, siendo el sistema de bomba de calor del
tipo que incluye un termostato de interior que tiene un primer valor
fijado para iniciar el calentamiento proporcionado por el serpentín
interno (16) y un segundo valor fijado para iniciar el
calentamiento adicional proporcionado por medios de calentamiento
suplementario (17), estando situados dichos medios de calentamiento
suplementario (17) aguas abajo del serpentín interno (16) para
calentar el aire que pasa desde el serpentín interno (16) hacia el
conducto de abastecimiento de aire, e incluyendo un elemento de
calentamiento de salida ajustable, comprendiendo dicho método el
paso de determinar la temperatura a la salida del serpentín de la
corriente de aire calentada por el serpentín interno (16) en un
punto entre el serpentín interno (16) y el elemento de
calentamiento de salida ajustable (17), estando caracterizado
dicho método por el paso de aplicar corriente de forma selectiva al
elemento de calentamiento de salida ajustable (17) en respuesta a
la temperatura del aire a la salida del serpentín, con independencia
del segundo valor fijado del termostato de interior.
2. El método de la reivindicación 1, en el que la
temperatura del aire a la salida del serpentín se determina
mediante medios de medida de la temperatura situados entre el
serpentín interno (16) y el elemento de calentamiento de salida
ajustable (17).
3. El método de la reivindicación 1, en el que la
temperatura del aire a la salida del serpentín se determina
mediante predicción basada en una lectura procedente de medios de
medida de la temperatura externa.
4. El método de la reivindicación 1, 2 ó 3, en el
que se aplica corriente al elemento de calentamiento de salida
ajustable (17) cuando la temperatura del aire a la salida del
serpentín baja por debajo de una temperatura de referencia
predeterminada del aire acondicionado.
5. El método de la reivindicación 4,
caracterizado además por el paso de cálculo de la potencia a
suministrar al elemento de calentamiento de salida ajustable (17)
en base a la temperatura del aire a la salida del serpentín, y
después la aplicación selectiva de corriente al elemento de
calentamiento de salida ajustable (17) para elevar la temperatura
del aire acondicionado hasta la temperatura de referencia.
6. El método de la reivindicación 5, en el que el
elemento de calentamiento de salida ajustable (17) tiene una salida
máxima, la potencia a suministrar al elemento de calentamiento de
salida ajustable (17) se calcula como un primer porcentaje de la
potencia máxima, y se aplica cíclicamente corriente al elemento de
calentamiento de salida ajustable (17) durante un porcentaje de
tiempo igual en magnitud al primer porcentaje.
7. El método de la reivindicación 5, en el que el
elemento de calentamiento de salida ajustable (17) tiene una salida
máxima, y la potencia a suministrar al elemento de calentamiento de
salida ajustable (17) se cambia incrementalmente en base a la
potencia calculada durante el paso de cálculo.
8. El método de la reivindicación 5, 6 ó 7, en el
que los medios de calentamiento suplementario (17) incluyen además
al menos un elemento de calentamiento de salida fija al que se
aplica corriente además de al elemento de calentamiento de salida
ajustable cuando la cantidad de potencia calculada durante el paso
de cálculo excede un nivel predeterminado.
9. Un sistema de bomba de calor que
comprende:
serpentines externo e interno para intercambio de
calor (24, 16) con los ventiladores asociados;
un compresor (22);
un dispositivo de expansión (27);
medios para cambiar el sentido del flujo del
refrigerante para seleccionar entre los modos de funcionamiento de
calefacción, refrigeración y descongelación;
medios de calentamiento suplementario (17) para
calentamiento de una corriente de aire que pasa desde el serpentín
interno a un conducto de abastecimiento de aire, comprendiendo
dichos medios de calentamiento suplementario un elemento de
calentamiento de salida ajustable;
un termostato de interior que tiene un primer
valor fijado para iniciar el calentamiento proporcionado por el
serpentín interno y un segundo valor fijado para iniciar un
calentamiento adicional proporcionado por los medios de
calentamiento suplementario;
caracterizado porque comprende:
medios (19) para determinar la temperatura a la
salida del serpentín de la corriente de aire calentada por el
serpentín interno en un punto entre el serpentín interno (16) y los
medios de calentamiento suplementario (17); y
medios de control (18) para aplicar corriente de
forma selectiva al elemento de calentamiento de salida ajustable
(17) en respuesta a la temperatura del aire a la salida del
serpentín, con independencia del segundo valor fijado del termostato
de interior.
10. El sistema de bomba de calor de la
reivindicación 9, en el que dichos medios (19) para determinar la
temperatura del aire a la salida del serpentín se
caracterizan por medios (19) para la medida de la temperatura
situados entre el serpentín interno (16) y el elemento de
calentamiento de salida ajustable (17).
11. El sistema de bomba de calor de la
reivindicación 9, en el que dichos medios para determinar la
temperatura del aire a la salida del serpentín se
caracterizan por medios para la medida de la temperatura
externa y la temperatura del aire a la salida del serpentín se
predice en base a una lectura de los medios para la medida de la
temperatura externa.
12. El sistema de bomba de calor de la
reivindicación 9, 10 ó 11, en el que se aplica corriente a dicho
elemento de calentamiento de salida ajustable (17) cuando la
temperatura del aire a la salida del serpentín baja por debajo de
una temperatura de referencia predeterminada del aire
acondicionado.
13. El sistema de bomba de calor de la
reivindicación 12, caracterizado además por medios para
calcular la potencia a suministrar al elemento de calentamiento de
salida ajustable (17) en base a la temperatura del aire a la salida
del serpentín, y dichos medios de control aplican corriente de
forma selectiva a dicho elemento de calentamiento de salida
ajustable (17) para elevar la temperatura del aire acondicionado
hasta la temperatura de referencia.
14. El sistema de bomba de calor de la
reivindicación 13, en el que dicho elemento de calentamiento de
salida ajustable (17) tiene una salida máxima, dichos medios de
cálculo calculan la potencia a suministrar a dicho elemento de
calentamiento de salida ajustable (17) como un primer porcentaje de
la potencia máxima, y dichos medios de control aplican cíclicamente
corriente a dicho elemento de calentamiento de salida ajustable
(17) durante un porcentaje de tiempo igual en magnitud al primer
porcentaje.
15. El sistema de bomba de calor de la
reivindicación 13, en el que dicho elemento de calentamiento de
salida ajustable (17) tiene una salida máxima, y dichos medios de
control cambian incrementalmente la potencia suministrada a dicho
elemento de calentamiento de salida ajustable (17) en base a la
potencia calculada por dichos medios de cálculo.
16. El sistema de bomba de calor de cualquiera de
las reivindicaciones 13 a 15, en el que dichos medios de
calentamiento suplementario (17) se caracterizan además por
al menos un elemento de calentamiento de salida fija y dichos medios
de control (18) aplican corriente a dicho elemento de calentamiento
de salida fija además de a dicho elemento de calentamiento de
salida ajustable cuando la potencia calculada por dichos medios de
cálculo excede un nivel predeterminado.
17. El sistema de bomba de calor de la
reivindicación 10 o de cualquiera de las reivindicaciones 12 a 16
en cuanto dependientes de la reivindicación 10, en el que dichos
medios de medida de temperatura (19) es un termistor colocado
adyacente a dicho ventilador asociado con dicho serpentín interno
(16).
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