ES2339735B1 - PROCEDURES AND APPLIANCES FOR THE DYNAMIC MEASUREMENT OF TEMPERATURE A FLUID IN A HEAT EXCHANGER COUPLED TO THE GROUND. - Google Patents

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Abstract

Procedimientos y aparatos para la medición dinámica de la temperatura de un fluido en un intercambiador de calor acoplado al terreno.Measuring procedures and devices temperature dynamics of a fluid in a heat exchanger heat coupled to the ground.

Los procedimientos comprenden los siguientes pasos: a) proporcionar una pluralidad de sondas (15) con un sensor de temperatura y medios de almacenamiento temporal y transmisión inalámbrica de mediciones; b) proporcionar una instalación (21) para hacer circular y controlar un fluido así como una pluralidad de dichas sondas (15) por el intercambiador; c) utilizar dichas sondas (15) para obtener mediciones de la temperatura del fluido a intervalos temporales prefijados durante su circulación por el intercambiador; d) almacenar los datos obtenidos en la etapa c) en un soporte apto para su utilización posterior. La invención también se refiere a las características estructurales de dichas sondas (15) y de dicha instalación (21).The procedures include the following steps: a) provide a plurality of probes (15) with a sensor of temperature and means of temporary storage and transmission wireless measurements; b) provide an installation (21) to circulate and control a fluid as well as a plurality of said probes (15) by the exchanger; c) use these probes (15) to obtain measurements of fluid temperature a pre-set time intervals during circulation through the exchanger; d) store the data obtained in step c) in a support suitable for later use. The invention also refers to the structural characteristics of said probes (15) and of said installation (21).

Description

Procedimientos y aparatos para la medición dinámica de la temperatura de un fluido en un intercambiador de calor acoplado al terreno.Measuring procedures and devices temperature dynamics of a fluid in a heat exchanger heat coupled to the ground.

Campo de la invenciónField of the Invention

La presente invención se refiere a procedimientos y aparatos para la medición de la temperatura en un intercambiador de calor acoplado al terreno y más particularmente para la medición dinámica de la temperatura de un fluido circulando por un intercambiador de calor acoplado al terreno.The present invention relates to procedures and apparatus for measuring temperature in a heat exchanger coupled to the ground and more particularly for the dynamic measurement of the temperature of a circulating fluid by a heat exchanger coupled to the ground.

Antecedentes de la invenciónBackground of the invention

La energía geotérmica (además de la energía de las mareas) es la única forma de energía renovable independiente del sol, teniendo su fuente definitiva en el interior de la tierra.Geothermal energy (in addition to the energy of the tides) is the only form of renewable energy independent of sun, having its definitive source inside the earth.

En los últimos años, el crecimiento de los sistemas de calefacción geotérmica se estima entre un 10% a un 30% anual [1]. Las tecnologías disponibles pueden reducir el consumo e incrementar la eficiencia del sistema [2], [3], así como reducir las emisiones de CO2. Todos estos aspectos están reflejados ampliamente en las referencias [4] - [7].In recent years, the growth of geothermal heating systems are estimated between 10% to 30% annual [1]. Available technologies can reduce consumption and increase system efficiency [2], [3], as well as reduce CO2 emissions. All these aspects are widely reflected. in references [4] - [7].

La Comunidad Europea y otras organizaciones internacionales como la DOE o la "American International Energy Agency" se refieren a dichos sistemas dentro del campo de la producción de calor mediante energías renovables. En este sentido se dispone de documentos que cuantifican el calor producido en distintos países de la Comunidad Europea [4].The European Community and other organizations internationals such as the DOE or the "American International Energy Agency "refers to such systems within the field of heat production through renewable energy. In this sense it it has documents that quantify the heat produced in different countries of the European Community [4].

Una de las posibilidades para el empleo de la energía térmica son los sistemas denominados Bomba de Calor Geotérmica ("geothermal heat pump o GHP"), o Sistema de Pozos Intercambiadores de Calor ("borehole heat exchangers, BHE"), los cuales se apoyan en la transferencia de calor mediante conducción desde los pozos de una perforación. Un fluido de transferencia térmica (habitualmente agua) circula en un lazo y lleva el agua caliente a una bomba de calor. La longitud de los intercambiadores de calor acoplados al terreno, necesarios para una producción de energía determinada, depende de las características del terreno tales como temperatura, tamaño y forma de partículas, contenido de humedad y coeficientes de transferencia de calor. El dimensionamiento correcto de los intercambiadores de calor acoplados al terreno es problemático. El sobredimensionamiento tiene unas consecuencias negativas, sobre todo económicas, mucho más importantes que en aplicaciones de climatización convencionales, de ahí la necesidad de desarrollar métodos que permitan su diseño y optimización antes de acometer su construcción. Uno de estos métodos es el Test de Respuesta Térmica (TRT), para obtener los parámetros térmicos del terreno.One of the possibilities for the use of thermal energy are the systems called Geothermal Heat Pump ( GHG ), or Heat Exchanger Well System (" borehole heat exchangers, BHE "), which are supported in the transfer of heat by conduction from the wells of a drilling. A thermal transfer fluid (usually water) circulates in a loop and brings the hot water to a heat pump. The length of the heat exchangers coupled to the ground, necessary for a given energy production, depends on the characteristics of the terrain such as temperature, particle size and shape, moisture content and heat transfer coefficients. Proper sizing of heat exchangers coupled to the ground is problematic. The oversizing has negative consequences, especially economic, much more important than in conventional air conditioning applications, hence the need to develop methods that allow its design and optimization before undertaking its construction. One of these methods is the Thermal Response Test (TRT), to obtain the thermal parameters of the terrain.

El TRT típico consiste en inyectar una cierta carga de calor dentro del intercambiador de calor acoplado al terreno y medir los cambios de temperatura en el fluido circulante. El TRT fue desarrollado inicialmente en Suecia y USA en 1995 [8] y se usa actualmente en muchos países para dimensionar intercambiadores térmicos acoplados al terreno [9]. Un aspecto delicado del proceso de medida es el mantenimiento constante de la transferencia de calor porque errores del 5% pueden implicar errores en la conductividad térmica de hasta el 40% [9]. Además, el TRT realiza la medición de la temperatura del fluido únicamente en la entrada y salida del sistema, e ignora las variaciones que las propiedades físicas del suelo, como la estructura o la presencia de capas freáticas, pueden producir sobre la conductividad térmica del terreno.The typical TRT consists of injecting a certain heat load inside the heat exchanger coupled to the terrain and measure temperature changes in the circulating fluid. The TRT was initially developed in Sweden and the USA in 1995 [8] and It is currently used in many countries to size heat exchangers coupled to the ground [9]. An aspect Delicate measurement process is the constant maintenance of the heat transfer because 5% errors may involve errors in thermal conductivity of up to 40% [9]. In addition, the TRT performs the measurement of the temperature of the fluid only in the system input and output, and ignores the variations that physical properties of the soil, such as the structure or presence of groundwater, can produce on the thermal conductivity of the ground.

Otros trabajos han explorado métodos alternativos al TRT para obtener la conductividad térmica del terreno: un sistema muy complejo basado en termómetros de fibra óptica [10], y la determinación de la conductividad utilizando un conocimiento previo del flujo geotérmico local [11].Other works have explored methods alternatives to TRT to obtain the thermal conductivity of the terrain: a very complex system based on fiber thermometers optics [10], and conductivity determination using a prior knowledge of the local geothermal flow [11].

La importancia de la disponibilidad de técnicas TRT queda demostrada en la iniciativa de la "Energy Conservation through Energy Storage (ECES), Implementing Agreement (IA) of International Energy Agency (IEA)" de lanzar en 2006 el Anexo 21 "Thermal Response Test" [12], En ese sentido, uno de los factores importantes a tener en cuenta es la evolución de la temperatura del fluido térmico en los intercambiadores de calor acoplados al terreno, existiendo una demanda de métodos y aparatos que permitan obtener mediciones de esa evolución de manera eficiente.The importance of the availability of techniques TRT is demonstrated in the initiative of the "Energy Conservation through Energy Storage (ECES), Implementing Agreement (IA) of International Energy Agency (IEA) "to launch Annex 21 in 2006 "Thermal Response Test" [12], In that sense, one of the important factors to consider is the evolution of the thermal fluid temperature in heat exchangers coupled to the ground, there is a demand for methods and devices that allow obtaining measurements of this evolution in a way efficient.

La presente invención está orientada a la atención de esa demanda.The present invention is oriented to the attention of that demand.

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Referencias References

[1] J. E. Bose, M. D. Smith, J. D. Spitler, Advances in ground source heat pump systems. An international overview, 7th IEA Conference on Heat Pump Technologies, Beijing China May 2002.[1] JE Bose , MD Smith , JD Spitler , Advances in ground source heat pump systems. An international overview , 7th IEA Conference on Heat Pump Technologies, Beijing China May 2002.

[2] J. F. Urchueguía, M. Zacares, A. Montero, J. Martos, Experimental comparative analysis of a ground coupled heat pump system versus a conventional air-to-air heat pump in typical conditions of the European Mediterranean coast. Climamed 2006 Lyon (France).[2] JF Urchueguía , M. Zacares , A. Montero , J. Martos , Experimental comparative analysis of a ground coupled heat pump system versus a conventional air-to-air heat pump in typical conditions of the European Mediterranean coast . Climamed 2006 Lyon (France).

[3] J. F. Urchueguía, M. Zacares, J.M. Corberán, A. Montero, J. Martos, H. Wtite Comparíson between the energy performance of a ground coupled water to water heat pump system and an air to water heat pump system for heating and cooling in typical conditions of the European Mediterranean coast. Energy Conversión and Management 2008 (in press).[3] JF Urchueguía , M. Zacares , JM Corberán , A. Montero , J. Martos , H. Wtite Comparíson between the energy performance of a ground coupled water to water heat pump system and an air to water heat pump system for heating and cooling in typical conditions of the European Mediterranean coast . Energy Conversion and Management 2008 (in press).

[4] Libro Blanco Para Una Estrategia Comunitaria y Plan De Acción; Comunicación de la Comisión: Com(97)599 Final (26/11/1997) Energy for the Future: Renewable Sources of Energy.[4] White Paper for a Community Strategy and Action Plan; Communication from the Commission : Com (97) 599 Final (11/26/1997) Energy for the Future: Renewable Sources of Energy.

[5] Commission Staff Working Document, The share of renewable energy in the EU, Country Profíles, Overview of Renewable Energy Sources in the Enlarged European Union (Brussels, 26.5.2004 SEC(2004) 547).[5] Commission Staff Working Document, The share of renewable energy in the EU, Country Profiles, Overview of Renewable Energy Sources in the Enlarged European Union (Brussels, 26.5.2004 SEC ( 2004 ) 547).

[6] Y. Genchi, Y. Kikegawa, A. Inaba, CO2 payback-time assessment of a regional-scale heating and cooling system using a ground source heat-pump in a high energy-consumption area in Tokyo, Applied Energy 71 (2002) 147-160.[6] Y. Genchi , Y. Kikegawa , A. Inaba , CO2 payback-time assessment of a regional-scale heating and cooling system using a ground source heat-pump in a high energy-consumption area in Tokyo , Applied Energy 71 ( 2002 ) 147-160.

[7] B. Sanner, C. Karytsasb, D. Mendrinosb, L. Rybachc, Current status of ground source heat pumps and underground thermal energy storage in Europe, Geothermics 32 (2003) 579-588.[7] B. Sanner , C. Karytsasb , D. Mendrinosb , L. Rybachc , Current status of ground source heat pumps and underground thermal energy storage in Europe , Geothermics 32 ( 2003 ) 579-588.

[8] W. A. Austin, Development of an in-situ system for measuring ground thermal properties, Masterthesis Oklahoma State University, Oklahoma 1998.[8] WA Austin , Development of an in-situ system for measuring ground thermal properties , Masterthesis Oklahoma State University, Oklahoma 1998 .

[9] H.J.L. Witte, A.J. van Gelder, J.D. Spitle; In-situ measurement of ground thermal conductivity: The dutch perspective, ASHRAE Transactions, Volume 108, No. 1., 2002.[9] HJL Witte , AJ van Gelder , JD Spitle ; In-situ measurement of ground thermal conductivity: The dutch perspective , ASHRAE Transactions, Volume 108, No. 1., 2002 .

[10] E. Hurtig, B. Ache, S. Großwig, K. Hänsel; Fibre optic temperature measurements: a new approach to determine the dynamic behaviour of the heat exchanging médium inside a borehole heat exchanger, TERRASTOCK 2000,8th International Conference on Thermal Energy Storage Stuttgart, August 28th to Septemberlst, 2000.[10] E. Hurtig , B. Ache , S. Großwig , K. Hänsel ; Fiber optic temperature measurements: a new approach to determine the dynamic behavior of the heat exchanging medium inside a borehole heat exchanger , TERRASTOCK 2000,8th International Conference on Thermal Energy Storage Stuttgart, August 28th to Septemberlst, 2000 .

[11] E. Rohner, L. Rybach, U. Schaärli; A new, small, wireless instrument to determine ground thermal conductivity in-Situ for borehole heat exchange design, Proceedings World Geothermal Congress 2005, Antalya, Turkey.[11] E. Rohner , L. Rybach , U. Schaärli ; A new, small, wireless instrument to determine ground thermal conductivity in-Situ for borehole heat exchange design , Proceedings World Geothermal Congress 2005 , Antalya, Turkey.

[12] B. Nordell, M. Reuss, G. Hellström Annex 21: Thermal Response Test. Draft, Nov. 2006.[12] B. Nordell , M. Reuss , G. Hellström Annex 21: Thermal Response Test. Draft , Nov. 2006.

[13] B. Sundararaman, U. Buy, A. D. Kshemkalyani; Clock synchronization for wireless sensor networks: a survey, Ad-Hoc network, 3(3): 282-323, 2005 [13] B. Sundararaman , U. Buy , AD Kshemkalyani ; Clock synchronization for wireless sensor networks: a survey, Ad-Hoc network , 3 (3): 282-323, 2005

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Sumario de la invenciónSummary of the invention

Un objeto de la presente invención es proporcionar un procedimiento para la medición dinámica de la temperatura de un fluido circulante en un intercambiador de calor acoplado al terreno.An object of the present invention is provide a procedure for dynamic measurement of the temperature of a circulating fluid in a heat exchanger coupled to the ground.

Otro objeto de la presente invención es proporcionar una sonda para la medición dinámica de la temperatura de un fluido circulante en un intercambiador de calor acoplado al terreno.Another object of the present invention is provide a probe for dynamic temperature measurement of a circulating fluid in a heat exchanger coupled to the ground.

Otro objeto de la presente invención es proporcionar una instalación para la medición dinámica de la temperatura de un fluido circulante en un intercambiador de calor acoplado al terreno.Another object of the present invention is provide a facility for dynamic measurement of the temperature of a circulating fluid in a heat exchanger coupled to the ground.

En un primer aspecto, esos y otros objetos se consiguen con un procedimiento para la medición dinámica de la temperatura de un fluido en un intercambiador de calor acoplado al terreno que comprende los siguientes pasos:In a first aspect, those and other objects are they get with a procedure for dynamic measurement of the temperature of a fluid in a heat exchanger coupled to land comprising the following steps:

a) Proporcionar una pluralidad de sondas con un sensor de temperatura y medios de almacenamiento y transmisión inalámbrica de una pluralidad de mediciones de temperaturas realizadas con dicho sensor.a) Provide a plurality of probes with a temperature sensor and storage and transmission media wireless of a plurality of temperature measurements made with said sensor.

b) Proporcionar una instalación para hacer circular un fluido así como una pluralidad de dichas sondas por el intercambiador de calor acoplado al terreno, controlando su velocidad.b) Provide an installation to do circulating a fluid as well as a plurality of said probes through the heat exchanger coupled to the ground, controlling its speed.

c) Utilizar dichas sondas para obtener mediciones de la temperatura del fluido a intervalos temporales prefijados durante su circulación por el intercambiador de calor acoplado al terreno.c) Use these probes to obtain fluid temperature measurements at time intervals preset during its circulation through the heat exchanger coupled to the ground.

d) Almacenar los datos obtenidos en la etapa c) en un soporte apto para su utilización posterior.d) Store the data obtained in stage c) on a stand suitable for later use.

En un segundo aspecto, esos y otros objetos se consiguen con una sonda autónoma para la medición de la temperatura de un fluido circulante, según el procedimiento que acabamos de mencionar, que comprende un sensor de temperatura de su entorno y medios de almacenamiento y transmisión inalámbrica de las mediciones realizadas durante un período de tiempo determinado, de acuerdo con un programa preestablecido y que tiene una forma esférica y la misma densidad de dicho fluido.In a second aspect, those and other objects are get with an autonomous probe for temperature measurement of a circulating fluid, according to the procedure just mention, which comprises a temperature sensor of its surroundings and storage media and wireless transmission of measurements performed during a certain period of time, in accordance with a preset program that has a spherical shape and the same density of said fluid.

En una realización preferente la sonda tiene un diámetro menor de 30 mm y en una realización aún más preferente un diámetro menor de 25 mm. Se consigue con ello una sonda cuyo tamaño permite que se desplace un reducido volumen de fluido térmico y que, por lo tanto, no altere el comportamiento térmico del punto donde se mide la temperatura.In a preferred embodiment the probe has a diameter less than 30 mm and in an even more preferred embodiment a diameter less than 25 mm. This achieves a probe whose size allows a small volume of thermal fluid to travel and that, therefore, do not alter the thermal behavior of the point where Measure the temperature.

En otro aspecto, esos y otros objetivos se consiguen con una instalación para la medición dinámica de la temperatura de un fluido en un intercambiador de calor acoplado al terreno que comprende:In another aspect, those and other objectives are they get with an installation for dynamic measurement of the temperature of a fluid in a heat exchanger coupled to land comprising:

- Un equipo hidráulico para hacer circular un fluido por el intercambiador de calor a una velocidad predeterminada que incluye un conducto de entrada y un conducto de salida al/del mismo, una válvula de inserción de las sondas mencionadas en dicho conducto de entrada y una válvula de extracción de dichas sondas de dicho conducto de salida;- A hydraulic equipment to circulate a fluid through the heat exchanger at a predetermined speed which includes an inlet duct and an outlet duct to / from the same, an insertion valve of the probes mentioned in said inlet duct and an extraction valve of said probes of said outlet duct;

- Un equipo informático con medios de control de dicho equipo hidráulico y medios de comunicación inalámbrica con dichas sondas para proporcionarles los parámetros de configuración y para recibir los datos de las mediciones de temperatura obtenidos durante su circulación por el intercambiador de calor acoplado al terreno así como medios de almacenamiento de dichos datos.- A computer equipment with control means of said hydraulic equipment and wireless communication means with said probes to provide the configuration parameters and to receive the data of the temperature measurements obtained during its circulation through the heat exchanger coupled to the terrain as well as means of storing such data.

En una realización preferente los medios de control del equipo hidráulico comprenden medios para controlar el momento de la inserción y extracción de dichas sondas. Se consigue con ello un control muy preciso de la dinámica de circulación de las sondas.In a preferred embodiment the means of hydraulic equipment control comprise means to control the moment of insertion and removal of said probes. Is achieved with it a very precise control of the dynamics of circulation of the probes

En una realización preferente, el equipo hidráulico incluye medios de calentamiento y enfriamiento del fluido. Se consigue con ello que las medidas dinámicas de la evolución de la temperatura se puedan hacer para distintas temperaturas del fluido a la entrada del intercambiador térmico acoplado al terreno.In a preferred embodiment, the equipment hydraulic includes heating and cooling means of fluid. This achieves that the dynamic measurements of the temperature evolution can be done for different fluid temperatures at the heat exchanger inlet coupled to the ground.

Otras características y ventajas de la presente invención se desprenderán de la descripción detallada que sigue de una realización ilustrativa de su objeto en relación con las figuras que le acompañan.Other features and advantages of this invention will follow from the detailed description that follows from an illustrative embodiment of its object in relation to the figures that accompany him.

Descripción de las figurasDescription of the figures

La Figura 1 es una vista esquemática de la instalación objeto de la presente invención.Figure 1 is a schematic view of the installation object of the present invention.

Las Figuras 2 y 3 muestran dos configuraciones típicas de intercambiadores de calor acoplados al terreno.Figures 2 and 3 show two configurations typical of heat exchangers coupled to the ground.

La Figura 4 muestra una imagen del circuito electrónico de la sonda autónoma en una realización preferente de la presente invención.Figure 4 shows an image of the circuit of the autonomous probe in a preferred embodiment of the present invention

Descripción detallada de la invenciónDetailed description of the invention

Para simplificar la descripción detallada de la presente invención nos referiremos a ella como un sistema en el que cabe enmarcar los procedimientos y aparatos que son objeto específico de la misma.To simplify the detailed description of the present invention we will refer to it as a system in which it is possible to frame the procedures and devices that are the object specific of it.

El sistema para la medición dinámica de la temperatura del fluido térmico en un intercambiador de calor acoplado al terreno comprende tres sub-sistemas básicos:The system for the dynamic measurement of temperature of the thermal fluid in a heat exchanger coupled to the ground comprises three sub-systems basic:

- Un sub-sistema hidráulico para gestionar la circulación del fluido térmico por el intercambiador de calor acoplado al terreno.- A hydraulic sub-system for manage the circulation of thermal fluid through the heat exchanger heat coupled to the ground.

- Un sub-sistema de medición de la temperatura del fluido térmico, compuesto por un conjunto de sondas autónomas que se hacen circular por dicho intercambiador y son capaces de transferir las mediciones realizadas mediante señales de radio.- A measurement sub-system of the temperature of the thermal fluid, composed of a set of autonomous probes that are circulated through said exchanger and they are able to transfer the measurements made by signals radio

- Un sub-sistema informático para el control del subsistema de medición y el registro y análisis de las mediciones realizadas.- A computer sub-system for the control of the measurement subsystem and the recording and analysis of the measurements made.

El sub-sistema hidráulicoThe hydraulic sub-system

La Figura 1 muestra esquemáticamente el sub-sistema hidráulico como un equipo hidráulico, que forma parte de la instalación 21, con un conducto de ida 23 y un conducto de vuelta 25 conectados por un lado a un tanque contenedor (no representado) de un fluido, preferentemente agua, y por otro lado a un intercambiador de calor acoplado al terreno (no representado), una bomba de circulación 27 asociada a un caudalímetro 29, medios de calentamiento y enfriamiento de dicho fluido (no representados) y dos válvulas 35, 37 para, respectivamente, la inserción de sondas 15 en el conducto de ida 23 y la recuperación de sondas 15 en el conducto de vuelta 25.Figure 1 schematically shows the hydraulic sub-system as a hydraulic equipment, which is part of installation 21, with a one-way duct 23 and a return duct 25 connected on one side to a container tank (not shown) of a fluid, preferably water, and on the other side to a heat exchanger coupled to the ground (no represented), a circulation pump 27 associated with a flowmeter 29, heating and cooling means of said fluid (not shown) and two valves 35, 37 for, respectively, the insertion of probes 15 in the duct 23 and the recovery of probes 15 in the return duct 25.

El equipo hidráulico también incluye un conjunto de sensores (no representados salvo el caudalímetro 29) para monitorizar varias variables de interés tales como el caudal, la temperatura del agua a la entrada y salida del intercambiador térmico, la temperatura en el tanque y la presión en los conductos.The hydraulic equipment also includes a set of sensors (not shown except flowmeter 29) for monitor several variables of interest such as flow, water temperature at the inlet and outlet of the exchanger thermal, the temperature in the tank and the pressure in the ducts

La Figura 1 también ilustra una comunicación inalámbrica entre las sondas 15 y un equipo informático 41 al que nos referiremos en detalle más adelante.Figure 1 also illustrates a communication wireless between probes 15 and a computer 41 to which we will refer in detail later.

Las Figuras 2 y 3 muestran dos configuraciones típicas de intercambiadores de calor acoplados al terreno en los que puede utilizarse el sistema objeto de la presente invención: una configuración 11 en forma de U y una configuración 13 con conductos coaxiales. Esos intercambiadores de calor 11, 13 están dispuestos en pozos 25 perforados en el terreno entre un material de relleno 17 apropiado. La transferencia de calor tiene lugar desde el fluido térmico al terreno o viceversa a través de las paredes de los conductos 11, 13 y los materiales de relleno 17.Figures 2 and 3 show two configurations typical of heat exchangers coupled to the terrain where the system object of the present invention can be used: a U-shaped configuration 11 and a duct configuration 13 coaxial These heat exchangers 11, 13 are arranged in wells 25 drilled in the ground between a filling material 17 appropriate. Heat transfer takes place from the fluid thermal to the ground or vice versa through the walls of the ducts 11, 13 and filling materials 17.

La instalación 21 mencionada está configurada para acoplarse al intercambiador de calor 11 en forma de U, pero como bien comprenderá el experto en la materia la invención también comprende una instalación configurada para acoplarse a un intercambiador de calor 13 coaxial.The installation 21 mentioned is configured to be coupled to the U-shaped heat exchanger 11, but as well as the person skilled in the art will understand the invention also it comprises an installation configured to be coupled to a 13 coaxial heat exchanger.

El sub-sistema de mediciónThe measurement sub-system

El objetivo de la invención es obtener mediciones de utilidad para determinar el comportamiento espacial y temporal del intercambiador de calor acoplado al terreno y en particular mediciones de la temperatura del fluido térmico circulando a través de la totalidad del intercambiador de calor en varios momentos temporales separados por intervalos de duración preestablecida. Así pues, los instrumentos de medida deben ser capaces de medir los cambios de temperatura del fluido circulando por el conducto.The objective of the invention is to obtain utility measurements to determine spatial behavior and temporary heat exchanger coupled to the ground and in particular thermal fluid temperature measurements circulating through the entire heat exchanger in several temporary moments separated by duration intervals preset Thus, measuring instruments must be able to measure the temperature changes of the circulating fluid through the duct.

Los instrumentos de medida que se utilizan en una realización preferente de la invención son sondas autónomas de temperatura 15 de pequeña dimensión que pueden moverse con la corriente de agua a lo largo del intercambiador de calor y que disponen de un sistema de adquisición, almacenamiento y descarga de los datos de temperatura, así como de la fuente de energía necesaria.The measuring instruments used in a preferred embodiment of the invention are autonomous probes of small temperature 15 that can move with the stream of water along the heat exchanger and that they have an acquisition, storage and download system for temperature data as well as energy source necessary.

En una realización preferente esas sondas comprenden un circuito basado en un transceptor de radiofrecuencia para dispositivos de corto alcance ("Short Range Device, SRD") en una banda libre ISM ("Industrial, Scientific, Medical"), un sistema programable de adquisición basado en microcontrolador, un dispositivo de memoria para almacenamiento temporal de los datos adquiridos, un circuito de monitorización de la temperatura y una batería para proporcionarle energía. Sus principales características funcionales son las siguientes:In a preferred embodiment those probes comprise a circuit based on a radio frequency transceiver for short range devices ("Short Range Device, SRD") in a free band ISM ("Industrial, Scientific, Medical"), a programmable acquisition system based on microcontroller, a memory device for temporary data storage acquired, a temperature monitoring circuit and a battery to provide power. Its main characteristics Functional are the following:

\bullet Rango de temperatura: 0-40º.Temperature range: 0-40º.

\bullet Resolución de la temperatura: < 0.05º.Temperature resolution: < 0.05º.

\bullet Precisión de la temperatura: < 0.05º.Temperature accuracy: < 0.05º.

\bullet Rango de muestreo: 0,1-10 s.Sample range: 0.1-10 s.

\bullet Capacidad de muestreo: 1000 muestras.Sampling capacity: 1000 samples.

       \vskip1.000000\baselineskip\ vskip1.000000 \ baselineskip
    

El transceptor incluye un microcontrolador que se encarga de la gestión de las comunicaciones, la adquisición de datos y el suministro de energía y lleva un código embebido para el control en cuatro estados diferentes: "Desconectado", "Configuración", "En adquisición", "Descarga".The transceiver includes a microcontroller that is responsible for the management of communications, the acquisition of data and power supply and carries an embedded code for the control in four different states: "Disconnected", "Configuration", "On acquisition", "Download".

La sonda está en estado "Desconectado", sin consumir energía, mientras espera a ser usada para medir temperaturas. Una señal apropiada provoca el cambio al estado "Configuración" para recibir las indicaciones correspondientes para la medición de temperaturas. El protocolo es muy simple para alcanzar una buena eficiencia energética y ahorrar energía. La longitud de los mensajes es corta y se minimizan los acuses de recibo ya que la distancia entre los transceptores es pequeña y la tasa de error reducida. Cuando se completa la configuración, se produce el cambio al estado "En adquisición". Como en este estado el transceptor no trabaja, es posible utilizar la frecuencia de un reloj secundario en vez de la del principal para ahorrar energía. A lo largo de su circulación por el intercambiador de calor, una sonda permanece en estado "dormido" desde la adquisición de un dato hasta el siguiente con el consiguiente ahorro de energía. Cuando se han efectuado todas las mediciones, se produce el cambio de estado a "Descarga". Se recupera el reloj principal y se sitúa al transceptor en el modo de transferencia de datos al exterior. Una vez finalizada la transferencia se produce el cambio de estado a "Desconectado".The probe is in the "Disconnected" state, without consume energy while waiting to be used to measure temperatures An appropriate signal causes the change to the state "Configuration" to receive the corresponding indications for temperature measurement. The protocol is very simple for achieve good energy efficiency and save energy. The Message length is short and the acknowledgments of I receive since the distance between the transceivers is small and the reduced error rate. When the configuration is complete, it will produces the change to the status "In acquisition". As in this state the transceiver does not work, it is possible to use the frequency of a secondary clock instead of the main one to save Energy. Throughout its circulation through the heat exchanger heat, a probe remains in a "sleeping" state from the acquisition of a data until the next one with the consequent saving of energy When all measurements have been made, it occurs the status change to "Download". The clock is recovered main and puts the transceiver in the transfer mode of data abroad. Once the transfer is finished, the change status to "Disconnected".

Un factor clave para la correcta sincronización de datos es la sincronización del reloj de todas las sondas al inicio de una adquisición que debe ser menor de 1ms entre todas las sondas. Por ejemplo, el Protocolo RBS "Reference Broadcasts Synchronization" [13] cumple las restricciones de tiempo y consumo de energía.A key factor for correct synchronization data is the clock synchronization of all probes to start of an acquisition that must be less than 1ms between all probes For example, the RBS Protocol "Reference Broadcasts Synchronization "[13] meets the time restrictions and energy consumption.

Una característica esencial de las sondas 15 es que deben medir las variaciones de temperatura del pequeño volumen de agua que las acompaña durante su circulación por el intercambiador de calor. Por ello deben tener la densidad del agua y un tamaño lo más pequeño posible para moverse sin deslizamientos respecto al flujo del fluido térmico. A esos efectos, en una realización preferente de la invención, tienen una configuración esférica y un diámetro menor de 30 mm y en una realización más preferente un tamaño menor de 25 mm. Esos tamaños de la sonda permiten por otra parte que puedan circular a lo largo de la mayoría de intercambiadores de calor acoplados al terreno, cuyos conductos tienen generalmente diámetros superiores.An essential feature of probes 15 is that should measure the temperature variations of the small volume of water that accompanies them during their circulation through the heat exchanger. Therefore they must have water density and as small as possible to move without slipping regarding the flow of thermal fluid. For that purpose, in a preferred embodiment of the invention, have a configuration spherical and a diameter less than 30 mm and in one more embodiment preferably a size smaller than 25 mm. Those probe sizes allow on the other hand that they can circulate along most of heat exchangers coupled to the ground, whose ducts They generally have larger diameters.

El sub-sistema informáticoThe computer sub-system

El sub-sistema informático 41 consiste básicamente en un ordenador dotado de medios de comunicación con las sondas 15 y de un programa de ordenador para controlar los elementos físicos del sistema 27, 35, 37, la configuración de las sondas 15, así como para la recepción y el análisis de las medidas realizadas.The computer sub-system 41 it basically consists of a computer equipped with means of communication with probes 15 and a computer program for control the physical elements of the system 27, 35, 37, the configuration of probes 15, as well as for reception and Analysis of the measures taken.

Se citan seguidamente algunos de los parámetros manejados por dicho programa:Some of the parameters are cited below managed by said program:

\bullet Parámetros de las mediciones a realizar: caudal del flujo de agua, resolución espacial y tiempo de inserción de las sondas 15.Parameters of measurements a perform: water flow rate, spatial resolution and time of insertion of probes 15.

\bullet Parámetros del intercambiador de calor acoplado al terreno en el que se llevan a cabo las mediciones.Heat exchanger parameters coupled to the ground where the measurements are carried out.

\bullet Parámetros relativos al número de sondas 15 a emplear y el periodo entre inserciones a su entrada y su correspondiente extracción a la salida de la instalación 21.Parameters related to the number of 15 probes to be used and the period between insertions upon entry and its corresponding extraction at the exit of the installation 21.

Respecto a la utilidad de los datos recibidos de las sondas, hay que tener en cuenta que la transferencia de calor tiene lugar desde el fluido térmico al terreno o viceversa a través de las paredes de los conductos y los materiales de relleno. Si el suelo es homogéneo e isotrópico en sus características térmicas, el calor transferido será proporcional a la diferencia de temperatura entre el fluido térmico y el terreno, resultando aplicable la Teoría de la Fuente Lineal de Kelvin. En estado estacionario, la conductividad térmica efectiva del suelo puede ser calculada como la media aritmética de las temperaturas en entrada y salida del fluido térmico. Pero este cálculo no permite diferenciar los efectos de las diferentes capas geológicas ni la presencia de flujos de agua subterráneos ni el comportamiento dinámico del terreno. En este sentido, y a partir de los datos de temperaturas tomados por dichas sondas según un programa temporal preestablecido dicho programa de ordenador puede incluir el código correspondiente para calcular la conductividad térmica de las distintas capas geológicas que atraviesa el intercambiador de calor acoplado al terreno, así como otros parámetros interesantes, tal como el tiempo de recuperación del terreno. Así mismo el programa de ordenador puede incluir código para comparar los resultados obtenidos con métodos convencionales.Regarding the usefulness of the data received from the probes, keep in mind that heat transfer takes place from the thermal fluid to the ground or vice versa through of the walls of the ducts and the filling materials. If he soil is homogeneous and isotropic in its thermal characteristics, the heat transferred will be proportional to the temperature difference between the thermal fluid and the ground, the theory being applicable from the Kelvin Linear Source. In steady state, the effective thermal conductivity of the soil can be calculated as the arithmetic mean of fluid inlet and outlet temperatures thermal. But this calculation does not allow to differentiate the effects of different geological layers or the presence of water flows underground or dynamic terrain behavior. In this sense, and from the temperature data taken by those probes according to a predetermined temporary program said program of computer can include the corresponding code to calculate the thermal conductivity of the different geological layers that crosses the heat exchanger coupled to the ground, as well as other interesting parameters, such as recovery time of the land Also the computer program can include code to compare the results obtained with methods conventional.

Una característica importante de la presente invención es que se conocen las referencias espaciales de las medidas de la temperatura aportadas por las sondas 15 a través del cálculo de la distancia recorrida durante su circulación por el intercambiador del calor acoplado al terreno ya que se controla la velocidad del flujo. En otros sistemas las referencias espaciales se obtienen a partir de medidas de presión aportadas por sensores de presión. Las sondas 15 no incluyen ningún sensor de presión.An important feature of this invention is that the spatial references of the temperature measurements provided by probes 15 through the calculation of the distance traveled during its circulation through the heat exchanger coupled to the ground since the flow rate In other systems spatial references are obtained from pressure measurements provided by sensors Pressure. Probes 15 do not include any pressure sensors.

Una ventaja importante del sistema objeto de la presente invención es su fácil transportabilidad e instalación.An important advantage of the system subject to the Present invention is its easy transportability and installation.

Otra ventaja importante del sistema objeto de la presente invención es la posibilidad de su uso por personal no especializado.Another important advantage of the system subject to the Present invention is the possibility of its use by non-personnel specialized.

Otra ventaja importante del sistema objeto de la presente invención es que permite la obtención de las mediciones relevantes para evaluar la conductividad térmica del terreno en un tiempo corto.Another important advantage of the system subject to the The present invention is that it allows obtaining the measurements relevant to assess the thermal conductivity of the ground in a short time.

Otra ventaja importante del sistema objeto de la presente invención es que se puede utilizar sobre instalaciones en explotación para medir la degradación de la respuesta térmica del terreno, o modificaciones del comportamiento térmico de las capas geológicas que atraviesa el intercambiador, gracia a las válvulas de inserción y extracción de las sondas.Another important advantage of the system subject to the present invention is that it can be used on installations in operation to measure the degradation of the thermal response of the terrain, or changes in the thermal behavior of the layers geological that crosses the exchanger, thanks to the valves of insertion and removal of probes.

Otra ventaja importante del sistema objeto de la presente invención es que no está limitado su uso a intercambiadores acoplados al terreno realizados con perforaciones verticales, también puede utilizarse en bucles horizontales.Another important advantage of the system subject to the present invention is that its use is not limited to exchangers coupled to the ground made with vertical perforations, It can also be used in horizontal loops.

En la realización preferente que acabamos de describir pueden introducirse aquellas modificaciones comprendidas dentro del alcance definido por las siguientes reivindicaciones.In the preferred embodiment we have just describe those modifications included within the scope defined by the following claims.

Claims (8)

1. Procedimiento para la medición dinámica de la temperatura de un fluido en un intercambiador de calor acoplado al terreno (11, 13), caracterizado porque comprende los siguientes pasos:1. Procedure for dynamic measurement of the temperature of a fluid in a heat exchanger coupled to the ground (11, 13), characterized in that it comprises the following steps: a) proporcionar una pluralidad de sondas (15) con un sensor de temperatura y medios de almacenamiento temporal y transmisión inalámbrica de una pluralidad de mediciones de temperaturas realizadas con dicho sensor;a) provide a plurality of probes (15) with a temperature sensor and temporary storage media and wireless transmission of a plurality of measurements of temperatures performed with said sensor; b) proporcionar una instalación (21) para hacer circular un fluido así como una pluralidad de dichas sondas (15) por el intercambiador de calor acoplado al terreno (11, 13) controlando su velocidad;b) provide an installation (21) to make circulating a fluid as well as a plurality of said probes (15) by the heat exchanger coupled to the ground (11, 13) controlling its speed; c) utilizar dichas sondas (15) para obtener mediciones de la temperatura del fluido a intervalos temporales prefijados durante su circulación por el intercambiador de calor acoplado al terreno (11, 13);c) use said probes (15) to obtain fluid temperature measurements at time intervals preset during its circulation through the heat exchanger coupled to the ground (11, 13); d) almacenar los datos obtenidos en la etapa c) en un soporte apto para su utilización posterior.d) store the data obtained in stage c) on a stand suitable for later use. 2. Procedimiento para la medición dinámica de la temperatura de un fluido en un intercambiador de calor acoplado al terreno (11, 13) según la reivindicación 1, caracterizado porque las sondas (15) se insertan en la instalación (21) en una ubicación prefijada y circulan a la misma velocidad del fluido de manera que su posición espacial en el intercambiador acoplado al terreno (11, 13) puede ser determinada en función de la velocidad del fluido y el tiempo transcurrido desde su inserción.2. Procedure for the dynamic measurement of the temperature of a fluid in a heat exchanger coupled to the ground (11, 13) according to claim 1, characterized in that the probes (15) are inserted into the installation (21) in a predetermined location and circulate at the same fluid velocity so that its spatial position in the exchanger coupled to the ground (11, 13) can be determined based on the fluid velocity and the time elapsed since its insertion. 3. Sonda autónoma (15) para la medición de la temperatura de un fluido circulante según el procedimiento objeto de la reivindicación 1 que comprende un sensor de temperatura de su entorno y medios de almacenamiento y transmisión inalámbrica de las mediciones realizadas durante un período de tiempo determinado de acuerdo con un programa preestablecido, caracterizada porque tiene una forma esférica y la misma densidad de dicho fluido.3. Autonomous probe (15) for measuring the temperature of a circulating fluid according to the method object of claim 1 comprising a temperature sensor of its environment and means of storage and wireless transmission of measurements made over a period of time determined according to a preset program, characterized in that it has a spherical shape and the same density of said fluid. 4. Sonda autónoma (15) según la reivindicación 3, caracterizada porque tiene un diámetro menor de 30 mm.4. Autonomous probe (15) according to claim 3, characterized in that it has a diameter of less than 30 mm. 5. Sonda autónoma (15) según la reivindicación 3, caracterizada porque tiene un diámetro menor de 25 mm.5. Autonomous probe (15) according to claim 3, characterized in that it has a diameter of less than 25 mm. 6. Instalación (21) para la medición dinámica de la temperatura de un fluido en un intercambiador de calor acoplado al terreno (11, 13), caracterizada porque comprende:6. Installation (21) for dynamic measurement of the temperature of a fluid in a heat exchanger coupled to the ground (11, 13), characterized in that it comprises: - Un equipo hidráulico para hacer circular un fluido por el intercambiador de calor (11, 13) a una velocidad predeterminada que incluye un conducto de entrada (23) y un conducto de salida (25) al/del mismo, una válvula de inserción (35) de sondas (15) según la reivindicación 3 en dicho conducto de entrada (23) y una válvula de extracción (37) de dichas sondas (15) de dicho conducto de salida (25);- A hydraulic equipment to circulate a fluid through the heat exchanger (11, 13) at a speed default which includes an inlet conduit (23) and a conduit outlet (25) to / from it, an insertion valve (35) of probes (15) according to claim 3 in said inlet conduit (23) and an extraction valve (37) of said probes (15) of said outlet duct (25); - Un equipo informático (41) con medios de control de dicho equipo hidráulico y medios de comunicación inalámbrica con dichas sondas (15) para proporcionarles los parámetros de configuración y para recibir los datos de las mediciones de temperatura obtenidos durante su circulación por el intercambiador de calor acoplado al terreno (11, 13) así como medios de almacenamiento de dichos datos.- A computer equipment (41) with means of control of said hydraulic equipment and media wireless with said probes (15) to provide them with configuration parameters and to receive data from temperature measurements obtained during its circulation through the heat exchanger coupled to the ground (11, 13) as well as means of storage of said data. 7. Instalación (21) para la medición dinámica de la temperatura de un fluido en un intercambiador de calor acoplado al terreno (11, 13) según la reivindicación 6, caracterizada porque dichos medios de control del equipo hidráulico comprenden medios para controlar el momento de la inserción y extracción de dichas sondas (15).7. Installation (21) for the dynamic measurement of the temperature of a fluid in a heat exchanger coupled to the ground (11, 13) according to claim 6, characterized in that said means for controlling the hydraulic equipment comprise means for controlling the timing of the insertion and removal of said probes (15). 8. Instalación (21) para la medición dinámica de la temperatura de un fluido en un intercambiador de calor acoplado al terreno (11, 13) según cualquiera de las reivindicaciones 6-7, caracterizada porque dicho equipo hidráulico también comprende medios para el calentamiento y enfriamiento del fluido.8. Installation (21) for the dynamic measurement of the temperature of a fluid in a heat exchanger coupled to the ground (11, 13) according to any of claims 6-7, characterized in that said hydraulic equipment also comprises means for heating and fluid cooling
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