ES2327957T3 - Sistema y metodo para calentar agua caliente sanitaria usando el calor residual de aguas residuales. - Google Patents
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Abstract
Un sistema de calentamiento del agua caliente sanitaria que emplea un dispositivo de bomba de calor que comprende un evaporador (12) y una bomba (13) sumergida integrados en un depósito (8) de almacenamiento de las aguas residuales; caracterizado porque el evaporador (12) es alimentado por la bomba sumergida que aspira el agua más caliente en la parte alta del depósito de almacenamiento.
Description
Sistema y método para calentar agua caliente
sanitaria usando el calor residual de aguas residuales.
El invento se refiere a un sistema de producción
de agua caliente sanitaria que pone en práctica un dispositivo de
bomba de calor para recuperar el calor residual de las aguas
residuales.
La producción de agua caliente sanitaria
constituye el segundo puesto de gastos energéticos para las
viviendas domésticas. Constituye también un puesto muy importante
del consumo energético de los hoteles, de las residencias
geriátricas, de las cocinas colectivas, pero también de numerosas
utilizaciones industriales, por ejemplo en el sector
agro-alimenticio. Según los países, este agua
caliente es producida principalmente ya sea mediante resistencias
eléctricas, ya sea por calderas de combustible, ya sea, de un modo
mucho más raro, por bombas de calor.
Hasta ahora, o bien las calderas de producción
de agua caliente producen cantidades muy importantes de CO_{2}, o
bien el coste energético de la producción de agua caliente sanitaria
por electricidad es muy elevado. En todos los casos, las emisiones
de CO_{2} asociadas a la producción de electricidad o asociadas a
las calderas son consideradas como demasiado elevadas en el marco
del desarrollo duradero y de la aplicación del Protocolo de Kyoto.
Existe por tanto una necesidad social profunda para concebir
sistemas de muy alta eficacia energética para la producción de agua
caliente sanitaria.
Numerosos dispositivos conocidos permiten
recuperar una parte del calor de las aguas residuales por un simple
intercambiador entre el agua fría entrante y las aguas residuales
salientes. El inconveniente de tales dispositivos es la pequeña
cantidad de energía recuperada.
El documento US-4422932 describe
un sistema de calentamiento de agua sanitaria que pone en práctica
un dispositivo de bomba de calor que comprende un evaporador
integrado en un depósito de almacenamiento de aguas residuales.
El presente invento tiene por objeto producir
agua caliente sanitaria minimizando de manera drástica la energía
eléctrica necesaria para producirla, utilizando el calor residual de
las aguas residuales recuperadas a este efecto.
Así, el invento se refiere a un sistema de
calentamiento del agua caliente sanitaria que emplea un dispositivo
de bomba de calor que comprende un evaporador y una bomba sumergida
integrados en un depósito de almacenamiento de las aguas
residuales; caracterizado porque el evaporador es alimentado por la
bomba sumergida que aspira el agua más caliente en la parte alta
del depósito de almacenamiento.
Así, un sistema según el invento está concebido
para obtener la mayor eficacia energética posible: el evaporador
está integrado en el depósito y está por tanto sumergido en el agua
tibia o templada. Además, la utilización de una bomba para hacer
circular las aguas residuales a través del intercambiador
proporciona un coeficiente de intercambio importante. Finalmente,
siempre con el propósito de obtener la mejor eficacia posible, la
inmersión de la bomba permite reducir las pérdidas energéticas, a
la vez térmicas (la bomba está sumergida en el agua tibia) y
mecánicas (la bomba está lo más cerca posible del intercambiador,
las pérdidas de carga son por tanto menores). La inmersión de la
bomba permite igualmente una gran compacidad del sistema.
La diferencia de temperatura menor entre las
aguas residuales y el exterior del depósito que en el caso de un
sistema clásico que utiliza un balón de agua caliente, en el que el
agua es almacenada a la temperatura mínima de 60ºC, permite
igualmente realizar economías sobre el aislamiento térmico necesario
para el depósito.
El sistema según el invento ofrece por tanto un
medio de calentamiento del agua sanitaria eficaz y poco consumidor
de energía.
En una realización, el agua residual enfriada en
el evaporador integrado en el depósito de almacenamiento de las
aguas residuales es vuelta a lanzar en la parte baja del depósito de
almacenamiento de las aguas residuales con vistas a favorecer la
estratificación térmica de agua tibia en el depósito de
almacenamiento de las aguas residuales, y limitando la velocidad de
difusión de este agua fría en el depósito de almacenamiento de las
aguas residuales, en particular por medio de una placa
anti-remolinos.
En una realización, el agua es calentada
instantáneamente, sin almacenamiento de agua caliente, con vistas a
limitar su temperatura de utilización.
En una realización, el depósito es alimentado
con aguas residuales solamente si la temperatura de las aguas
residuales es superior a la temperatura de la red de agua fría,
excepto durante el llenado inicial.
En una realización, el sistema es tal que
durante un arranque en frío del sistema, un dispositivo de control
y una resistencia eléctrica permiten evitar cualquier formación de
hielo en el evaporador integrado en el depósito de las aguas
residuales.
\newpage
El invento se refiere igualmente a un
procedimiento de calentamiento del agua caliente sanitaria, que
comprende la etapa de agotar las calorías de la parte más caliente
de las aguas térmicamente estratificadas de un depósito de
almacenamiento de las aguas residuales por medio de una bomba de
calor que comprende un evaporador integrado en el depósito de
almacenamiento de las aguas residuales, estando el evaporador
alimentado por una bomba sumergida en el depósito, aspirando la
bomba el agua más caliente en la parte alta del depósito.
La fuente fría de la bomba de calor está
constituida por un depósito de almacenamiento en el que se acumulan
las aguas residuales, lo que permite disponer en casi todos los
casos de un nivel de temperatura mucho más elevado que la
temperatura de agua fría de la red, que constituye el pozo caliente
de la bomba de calor. La bomba de calor permite producir
instantáneamente agua caliente sanitaria, sin almacenamiento del
agua caliente en un depósito tampón, lo que permite entonces
producirla a un nivel de temperatura de 45ºC y no ya a un nivel de
60ºC, como lo imponen varias legislaciones para evitar la
proliferación de legionellas en los calentadores de agua caliente
sanitaria. Esta diferencia de temperatura de calentamiento del agua
sanitaria representa una economía de energía suplementaria.
Uno de los propósitos del invento es por tanto
minimizar la separación entre la fuente fría y el pozo caliente, lo
que es la garantía de la mayor eficacia energética. En efecto, el
rendimiento ideal de una bomba de calor se expresa en función de
las temperaturas de fuente y de pozo según la fórmula siguiente:
COP_{ideal} =
\frac{Tpozo}{Tpozo -
Tfuente}
en la
que:
- -
-
\vtcortauna
- -
-
\vtcortauna
- -
-
\vtcortauna
El coeficiente de rendimiento real de las bombas
de calor sigue la ley de comportamiento general del
COP_{ideal}.
Una descripción detallada utilizando las
referencias numéricas llevadas en las figs. 1 y 2 permitirá
comprender mejor un ejemplo de realización del invento.
La fig. 1 es un esquema de un sistema según el
invento,
La fig. 2 es un esquema de una regulación de un
sistema según el invento.
El volumen 1 de la fig. 1 representa una fuente
de agua caliente que puede ser un fregadero, un lavadora de ropa o
un lavavajillas, y una bañera, un lavabo o cualquier fuente de aguas
residuales calientes de una vivienda colectiva o individual o de
una zona industrial. Un colector 2 representa las tuberías de
recuperación de las aguas residuales que provienen de las
diferentes fuentes de una vivienda colectiva o individual o de una
zona industrial.
Este colector comprende medios de filtrado de
las aguas residuales, que evitan la presencia de desechos que
podrían provocar un mal funcionamiento del sistema de recuperación
de energía presentado a continuación. Cuando estas aguas residuales
tienen una temperatura superior a la temperatura de agua fría, son
entonces dirigidas hacia el depósito de almacenamiento 8 donde
están almacenadas de manera estratificada a través de la tubería 11
concebida de manera que llene el depósito de almacenamiento 8 por la
parte alta, ayudando por tanto a la estratificación térmica de
manera que el agua más caliente se sitúe en la parte más alta del
depósito 8.
Cuando hay una utilización de agua caliente
sanitaria entonces la bomba 13 sumergida en el depósito 8 es puesta
en funcionamiento y aspira por la tubería 14 el agua más caliente y
la impulsa a través de la tubería 15 en el evaporador 12. El agua
enfriada sale del evaporador 12 por la tubería 16 en la parte
inferior del depósito 8, donde está dispuesta una placa
anti-remolinos 35 a fin de evitar los remolinos y la
mezcla del agua fría con el agua más caliente, con vistas a
mantener la estratificación térmica en el depósito 8. Esta placa
anti-remolinos 35 permite obtener una velocidad muy
débil de difusión del agua fría en las partes justo por encima de la
placa anti-remolinos, sirviendo la pared del fondo
del depósito para romper el chorro.
El evaporador 12 integrado en el depósito 8
extrae el calor residual de las aguas residuales para proporcionarlo
a la bomba de calor de compresión de vapor, que está constituida
principalmente por el evaporador 12, el compresor 18, el
condensador 20 y el descompresor 22. Esta bomba de calor transfiere
por tanto la energía térmica del agua caliente contenida en el
depósito 8 para calentar el agua de la red de agua caliente
sanitaria por el condensador 20.
El agua fría que llega pro la tubería 24 pasa o
bien íntegramente por la tubería 27, o bien por la tubería 27 y
parcialmente por la tubería 26, ello en función de los valores de
regulación de la válvula de tres vías 29. El agua fría se calienta
en el condensador 20 y sale de él por la tubería 28, la temperatura
de utilización por uno de los numerosos puestos consumidores,
representados por el grifo 6, es controlada mediante la sonda de
medida 31 instalada sobre la tubería 30, que corresponde a las
tuberías de alimentación de agua caliente. La regulación global de
temperatura será explicada más adelante en este texto.
El sistema está concebido de tal manera que la
bomba de calor produce agua caliente de manera instantánea. En
efecto, la bomba de calor produce agua caliente sanitaria bajo
demanda, tanto cuando el agua caliente es simultáneamente recogida
en el depósito 8 como cuando éste no es alimentado. Esta es la
ventaja de disponer de una reserva de agua residual.
Cuando la bomba de calor está en funcionamiento,
el fluido refrigerante se evapora en el evaporador 12 después de
expansión por el descompresor 22. Entra en el evaporador 12 por la
tubería 23 y sale de él por la tubería 17, después de haber
extraído el calor útil de las aguas residuales puestas en
circulación por la bomba 13 en el depósito 8.
El fluido refrigerante que se ha evaporado en el
evaporador 12 es comprimido a alta presión por el compresor 18 y
luego llevado por la tubería 19 al condensador 20. La suma de la
potencia frigorífica extraída en el evaporador 12 y de la potencia
transmitida por el compresor al fluido refrigerante corresponde a la
potencia térmica de condensación que es transmitida al agua fría de
la red. Este agua fría entra en el condensador 20 por la tubería 27
y vuelve a salir de él por la tubería 28. El fluido refrigerante
sale del condensador por la tubería 21 luego es expandido por el
descompresor 22, lo que completa el circuito de la bomba de
calor.
Globalmente, la bomba de calor reutiliza el
calor contenido en las aguas residuales hasta la temperatura de
entrada del agua fría permitiendo así una recuperación completa de
al energía térmica disponible en las aguas residuales. Para evaluar
las ganancias de eficacia energética asociadas a tal procedimiento
en el uso doméstico, tomando un agua residual que entra a 35ºC y
considerando que este agua residual es enfriada hasta 15ºC, a
igualdad de cosas por otro lado, se puede considerar que la
temperatura media de esta fuente fría, en el sentido termodinámico
del término es, de 25ºC.
Como no hay calentador de agua caliente y por
tanto pérdidas unidas al almacenamiento a 60ºC de este agua
caliente, y habida cuenta de la producción instantánea de calor
asociada al funcionamiento de la bomba de calor, el agua caliente
es entregada a 45ºC. La temperatura es controlada a la vez por el
regulador 40 y la válvula de tres vías 29. Teniendo en cuenta
intervalos de temperatura estándares de 5 K entre el fluido
refrigerante que se evapora en el evaporador 12 y el fluido
refrigerante que se condensa en el condensador 20, las temperaturas
medias de evaporación y de condensación son respectivamente de 20 y
50ºC. El COP_{ideal} de tal sistema vale por tanto, en estas
condiciones 323/30 = 10,7.
Considerando que con las tecnologías estándares
la relación del coeficiente de rendimiento real de una bomba de
calor sobre el coeficiente ideal es del orden del 70%, el COP de tal
máquina se sitúa en los alrededores de 7,5. Ensayos en laboratorio
efectuados sobre tal sistema han mostrado COP reales de 7.
El sistema según el invento, comparativamente a
una resistencia eléctrica de un calentador, consume 7 veces menos
electricidad, y esto sin contar las pérdidas térmicas. Cuando estas
pérdidas térmicas son integradas, el consumo de energía es 8 veces
menos importante.
Por otra parte, cuando se compara tal sistema
con bombas de calor que utilizan aire exterior como fuente fría, el
COP es mejorado casi en un factor de 2. En efecto, siendo los COP
típicos de las bombas de calor para el calentamiento del agua
caliente sanitaria del orden de 3,5. Para niveles de temperatura
superiores de utilización del agua caliente como en la industria,
se aplican los mimos razonamientos, pero a niveles de temperatura
diferentes, estando las ganancias energéticas unidas a la
recuperación de las calorías en las aguas tibias y a su
potenciación a un nivel energético más alto por una bomba de
calor.
Las lógicas de regulación y de arranque se
apoyan en las figs. 1 y 2 y la descripción siguiente. El captador
de temperatura 3, que puede ser un termopar, una termistancia o una
resistencia de platino, envía una señal eléctrica analógica al
módulo de regulación 40 a través de la vía de entrada 41. El
programa de cálculo integrado en el regulador 40 compara el valor
de esta temperatura medida por el captador 3 a la temperatura de
agua fría entrante medida por el captador de temperatura 25 que
está unido al regulador 40 por la vía de entrada 42. Si no hay
circulación de agua fría entrante por la tubería 24 éste es el
último valor registrado por el captador 25 y registrado por el
regulador 40 que será tenido en cuenta para la comparación.
Si la temperatura del agua residual es inferior
a la temperatura del agua fría de la red entrante por la tubería
24, las aguas residuales son entonces evacuadas por la tubería 5,
poniendo el regulador 40 mediante su vía de salida 45 la válvula de
tres vías 4 en la posición que une la tubería 2 a la tubería 5 de
puesta al desagüe.
Si, por el contrario, la temperatura del agua
residual medida en 3 es superior a la temperatura del agua de la
red medida en 25, entonces el regulador 40 pone mediante su vía de
salida 45 la válvula de tres vías 4 en la posición que permite la
circulación del agua residual de la canalización 2 hacia la
canalización 7 alimentando de aguas residuales tibias el depósito
8.
El nivel del depósito 8 es controlado por el
controlador de nivel eléctrico 10 unido también al regulador 40
mediante la vía de entrada 43. Cuando este nivel llega a la posición
máxima, habida cuenta de la indicación del regulador de nivel 10,
el regulador 40 mediante su vía de salida 46 pone la electroválvula
32 en posición abierta para que el excedente de agua más fría, ya
que es extraída en la parte baja del depósito 8, circule o fluya
fuera del depósito 8 y sea drenada totalmente al desagüe a través de
la canalización 33 hasta que el regulador de nivel 10 vuelva a su
posición baja, lo que entraña entonces el cierre de la
electroválvula 32, señal enviada por el regulador 40 a través de su
vía de salida 46.
El resultado global de esta transferencia de
agua es que el agua más caliente ha reemplazado al agua más fría en
el depósito 8. Además, este reemplazamiento se ha efectuado de
manera estratificada, siendo el agua caliente aprovisionada por la
parte alta y siendo el agua más fría recogida y luego evacuada por
la parte baja.
Durante el arranque inicial, la primera vez que
el sistema es utilizado, el regulador 40 pone mediante su vía de
salida 45 la válvula de tres vías 4 en la posición que permite
alimentar el depósito 8 cualquiera que sea el intervalo de
temperatura indicado respectivamente por las sondas 3 y 25, el
depósito es entonces llenado hasta el nivel máximo controlado por
el controlador de nivel 10.
Existen reglamentaciones
anti-quemaduras que obligan a que la temperatura más
alta del agua caliente sanitaria sea fijada a 45ºC. Para las
aplicaciones domésticas, este valor de temperatura máxima no puede
ser sobrepasado y está integrado en el programa de regulación del
regulador 40. Esta temperatura puede ser reducida, en particular
por razones de economía de energía, por una entrada 48 del regulador
40 donde el usuario puede regular este umbral de temperatura, lo
que permite entonces a la bomba de calor funcionar a una temperatura
de condensación inferior a 50ºC.
Por el contrario, no hay que confundir esta
regulación de temperatura centralizada del sistema de calentamiento
y las temperaturas de utilización en los diferentes grifos donde las
mezclas de agua caliente/agua fría pueden ser libremente reguladas
por los usuarios según los medios clásicos de los grifos
suavizadores o mezcladores.
Por otra parte, existe una relación
temperatura/caudal en función del valor de la temperatura de entrada
de agua en 24. Se sabe que en función de le estación esta agua fría
puede variar típicamente de 5 a 20ºC. Es la función de la válvula
de tres vías 29 y del regulador 40 fijar la relación de caudal entre
la tubería 27 y la tubería 26 y las necesidades solicitadas sobre
la tubería 30 a fin de fijar estas condiciones de condensación
estables en el condensador 20.
Unos medios complementarios conocidos, como un
motor eléctrico de velocidad variable del compresor o la utilización
de una potencia escalonada por utilización de dos compresores de
tamaños diferentes o aún más simplemente por un sistema de
marcha-parada del compresor, permiten modular o bien
el caudal medio, o bien el caudal instantáneo de fluido
refrigerante a fin de mantener una temperatura de condensación
estable en función del caudal y de la temperatura del agua que pasa
por la tubería 27 y con vistas a mantener la temperatura de salida
de agua por la tubería 28 a 45ºC aproximadamente.
Según los medios de control del caudal del
compresor, el regulador 40 puede estar dotado de entradas y de
salidas suplementarias para la puesta en marcha y parada del o de
los compresores o la modulación del variador de frecuencia. Según
los dominios de aplicación, los niveles de temperatura pueden ser
también adaptados.
Después de una parada prolongada de la
instalación, por ejemplo en razón del comienzo de vacaciones de los
ocupantes, o durante la puesta en marcha inicial, el agua almacenada
en el depósito 8 puede estar a una temperatura igual a la
temperatura de entrada del agua fría. Cuando la necesidad de
producción de agua caliente sanitaria aparece, la temperatura del
agua almacenada en el depósito puede descender hasta que se forme
hielo si esta temperatura resulta inferior a 0ºC. Para impedir esta
eventual producción de hielo, una resistencia eléctrica 9 es
instalada en la parte alta del depósito de almacenamiento 8 y es
puesta en funcionamiento a través de la salida 47 del regulador 40
una vez que el captador de temperatura 34 sobre la tubería 16 envía
su señal al regulador 40 por la vía de entrada 44 indicando una
temperatura inferior a 2ºC. Este funcionamiento de la resistencia
eléctrica es excepcional pero permite asegurar en todos los casos la
producción de agua caliente sanitaria.
Cuando la temperatura de salida de agua caliente
sanitaria medida por el captador 34 resulta superior a 3ºC, el
regulador 40 detiene la resistencia eléctrica 9 mediante su salida
47.
En una variante, el depósito de almacenamiento y
la bomba de calor están integrados en la misma caja, para una mayor
compacidad, y para facilitar la integración del sistema de
calentamiento, por ejemplo en una vivienda individual.
Claims (6)
1. Un sistema de calentamiento del agua caliente
sanitaria que emplea un dispositivo de bomba de calor que comprende
un evaporador (12) y una bomba (13) sumergida integrados en un
depósito (8) de almacenamiento de las aguas residuales;
caracterizado porque el evaporador (12) es alimentado por la
bomba sumergida que aspira el agua más caliente en la parte alta
del depósito de almacenamiento.
2. Un sistema según la reivindicación 1ª; siendo
el sistema tal que el agua residual enfriada en el evaporador
integrado en el depósito (8) de almacenamiento de las aguas
residuales es relanzada en la parte baja del depósito (8) de
almacenamiento de las aguas residuales con vistas a favorecer la
estratificación térmica del agua caliente en el depósito (8) de
almacenamiento de las aguas residuales, y limitando la velocidad de
difusión de este agua fría en el depósito (8) de almacenamiento de
las aguas residuales, en particular por medio de una placa
anti-remolinos (35).
3. Un sistema según una de las reivindicaciones
1ª y 2ª; siendo tal el sistema que el agua es calentada
instantáneamente sin almacenamiento de agua caliente con vistas a
limitar su temperatura de utilización.
4. Un sistema según una de las reivindicaciones
1ª a 3ª; comprendiendo el sistema medios para alimentar el depósito
(8) de aguas residuales solamente si la temperatura de las aguas
residuales es superior a la temperatura de la red de agua fría,
excepto durante el llenado inicial.
5. Un sistema según una de las reivindicaciones
1ª a 4ª; comprendiendo un dispositivo de control y una resistencia
eléctrica a fin de evitar, durante un arranque en frío del sistema,
cualquier formación de hielo en el evaporador (12) integrado en el
depósito (8) de las aguas residuales.
6. Un procedimiento de calentamiento del agua
caliente sanitaria, que comprende la etapa de agotar las calorías
de la parte más caliente de las aguas térmicamente estratificadas de
un depósito (8) de almacenamiento de las aguas residuales por medio
de una bomba de calor que comprende un evaporador (12) integrado en
el depósito (8) de almacenamiento de las aguas residuales, estando
el evaporador alimentado por una bomba sumergida en el depósito,
aspirando la bomba (13) el agua más caliente en la parte alta del
depósito.
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