ES2392771B1 - Sistema de mejora de eficiencia energetica aplicado a calefaccion electrica y agua caliente sanitaria - Google Patents

Sistema de mejora de eficiencia energetica aplicado a calefaccion electrica y agua caliente sanitaria Download PDF

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Abstract

La presente invención se refiere a un procedimiento de regulación digital de un sistema eléctrico (10, 50), comprendiendo dicho sistema eléctrico un elemento calefactor (20, 20?) alimentado por un elemento de corte, caracterizado porque comprende:#- generar una onda cuadrada con un periodo T, cuya onda está en su valor extremo superior durante un primer tiempo t1, y en su valor extremo inferior durante un segundo tiempo t2, siendo T=t1+t2;#- aplicar dicha onda cuadrada sobre el elemento de corte durante al menos un tiempo establecido t, donde t=N*T, siendo N entero y positivo, de forma que se produce una secuencia de arrancadas y paradas sobre dicho elemento de corte durante al menos dicho tiempo establecido.

Description

SISTEMA DE MEJORA DE EFICIENCIA ENERGÉTICA APLICADO A
CALEFACCiÓN ELÉCTRICA Y AGUA CALIENTE SANITARIA.
CAMPO DE LA INVENCiÓN
5
La presente invención pertenece al campo de la mejora de la
eficiencia energética en sistemas eléctricos; más concretamente, en sistemas
de calelacción eléctrica yagua caliente sanitaria con regulación digital.
ANTECEDENTES DE LA INVENCiÓN
lO
En un contexto de escasez de recursos energéticos y continuos
incrementos en los precios de la energía, el ahorro y la eficiencia energética
en los productos para calefacción yagua caliente sanitaria, ACS, es cada vez
más importante.
Las compañías que diseñan productos de calefacción o ACS eléctrica
15
para consumidores finales rara vez usan como parámelros de entrada en el
diseño de dichos productos la mejora de la eficiencia energética y el
consiguiente ahorro económico para el consumidor.
Son conocidos en el estado de la técnica multitud de sistemas de
calefacción y ACS eléctrica, los que en su mayoría están desarrollados sin
20
ningún tipo de criterio en cuanto a eficiencia energética.
En el caso de los sistemas de calefacción eléctrica, éstos se pueden
clasificar en los que están basados en sistemas por acumulación o por acción
directa. Los sistemas por acumulación con grandes ladrillos acumuladores
dejaron de tener vigencia con la eliminación de la tarifa nocturna.
25
Los sistemas directos se pueden dividir entre sistemas radiantes
puros o los que están basados en la convección del aire. Los sistemas
radiantes puros no están provistos de ningún tipo de termostato ni regulación,
siendo únicamente sistemas de calefacción directa por efecto joule sin
posibilidad de regulación ni control no produciendo ningún tipo de eficiencia
30
energética.
Los sistemas basados en la convección del aire tienen dos grandes
campos, los que lo hacen de forma forzada y los que se basan en un sistema
natural.
Los sistemas basados en convección forzada necesitan la ayuda auxiliar de un elemento que provoque la circulación del aire; estos sistemas son, por tanto, ineficientes debido al uso de motores o ventiladores necesarios además del propio sistema de calefacción.
El campo de la convección natural del aire para calefactar un local es el más idóneo dentro de la calefacción eléctrica de modo directo debido al ahorro energético al no necesitar de elementos auxiliares de apoyo para provocar la circulación de aire.
La convección natural del aire se produce cuando, debido a una diferencia de temperatura, el aire caliente se desplaza desde la parte inferior del producto a la parte superior. La transmisión de calor debe provocarse de forma lo más homogénea posible sin grandes gradientes térmicos.
En los sistemas de convección natural el aire fria del local asciende
por la parte baja y conforme va subiendo, se va incrementando su
temperatura al rozar con el cuerpo de aluminio, hasta que sale caliente por la parte superior del radiador. La recirculación natural (convección) garantiza un calor homogéneo y agradable en toda la estancia, siempre que se haga un
cálculo correcto de las necesidades y se instale forma correcta el sistema.
Existen en el mercado multitud de sistemas que se basan en la convección natural del aire para calentar un local. Básicamente están divididos en sistemas en seco o sistemas con fluido:
Los sistemas en seco trasmiten el calor generado por una resistencia eléctrica a un cuerpo calefactor sin ningún tipo de fluido interior y suele usarse metal extrudido como cuerpo transmisor de calor al ambiente; este conjunto de subsistemas provoca unos calentamientos no homogéneos. Dichos sistemas en su interior llevan aire o a lo sumo un sólido -como cuarzo-que no resuelven de manera óptima el objetivo de transmitir el calor generado por el elemento calefactor (resistencia eléctrica) al ambiente.
Los sistemas con fluido en su interior se basan en la convección
natural que se produce en dicho fluido al incrementar la temperatura de este
por medio de la resistencia. Por medio de esta convección se transmite el
calor que porta el fluido de manera homogénea por todo el cuerpo transmisor
de calor, que suele ser un metal inyectado. Este sistema es la forma más
efectiva de transmitir calor entre el elemento calefactor eléctrico (resistencia) y el ambiente. En la figura 1 se muestra un radiador 10 de este tipo, basado en
convección natural del aire, con una resistencia 20 en la parte inferior del radiador que, una vez conectado a una fuente de alimentación, proporciona
una uniforme disipación de calor al fluido 30 (por ej., un aceite térmico de baja viscosidad) que circunda a dicha resistencia y circula también por el resto del
radiador.
La regulación y control de temperatura para este tipo de sistemas
basados en la convección natural del aire con fluido en su interior se puede
llevar a cabo mediante diversos sistemas de control, como pueden ser
sistemas analógicos con lámina bimetálico con extremo fijo que cambia de
posición cuando varia la temperatura que está midiendo (Sistema Todo-Nada analógicos). En dichos termostatos el diferencial entre temperatura establecida de consigna y temperatura ambiente alcanzada puede ser de 2' C.
También existe otra opción que consiste en el control térmico mediante dispositivos digitales.
Los sistemas digitales de regulación y control de temperatura se basan en la comparación de la temperatura medida por un sensor con la temperatura establecida en el producto por el usuario mediante un dispositivo digital.
Dicha regulación se realiza de manera similar a los medios analógicos pero con medios digitales que hace más precisa la regulación y el diferencial
puede llegar a ser de 1 ' C. En el caso de los sistemas de agua caliente sanitaria eléctrica, estos se pueden clasificar de la siguiente forma:
Los sistemas eléctricos de calentamiento de agua instantáneos
calientan directamente el agua a su paso por el calentador y son productos de
una alta potencia de instalación, lo que conlleva una gran potencia eléctrica a contratar en la vivienda siendo poco eficientes. También están los sistemas eléctricos de calentamiento de agua por
5 acumulación, donde el agua entra al producto y un elemento calefactor la calienta en un periodo de tiempo determinado. En dichos sistemas la regulación es normalmente llevada a cabo por
un sistema de termostato analógico, similar a lo explicado en el caso de sistemas de calefacción eléctrica explicados anteriormente.
lOEn estos sistemas el diferencial entre temperatura establecida de consigna y temperatura ambiente alcanzada puede ser de 2' C.
Existe un avance que consiste en el control térmico mediante
dispositivos digitales de regulación y control de temperatura que se basan en
la comparación de la temperatura medida por un sensor con la temperatura
15 establecida en el producto por el usuario mediante un dispositivo digital.
En estos casos la regulación es más precisa y el diferencial puede
llegar a ser de 1'C.
DESCRIPCiÓN DE LA INVENCiÓN
20 La invención se refiere a un procedimiento de regulación de un sistema eléctrico de acuerdo con la reivindicación 1. Realizaciones preferidas del procedimiento se definen en las reivindicaciones dependientes.
Un primer aspecto de la invención se refiere a un procedimiento de regulación digital de un sistema eléctrico, comprendiendo dicho sistema
25 eléctrico un elemento calefactor alimentado por un elemento de corte,
caracterizado por que comprende: generar una onda cuadrada con un periodo T, cuya onda está en su valor extremo superior durante un primer tiempo t1, Y en su valor extremo
inferior durante un segundo tiempo t2, siendo T =t1 +t2; 30 aplicar dicha onda cuadrada sobre el elemento de corte durante al menos un tiempo establecido t, donde t=N'T, siendo N entero y positivo, de
forma que se produce una secuencia de arrancadas y paradas sobre dicho elemento de corte durante al menos dicho tiempo establecido
Es decir, el procedimiento de regulación o control de la invención lo
que hace es realizar múltiples encendidos y apagados sobre el elemento
calefactor tiene como consecuencia una disminución de la oscilación de la
temperatura del elemento o componente a calentar por el elemento calefactor (por ejemplo, de la temperatura del fluido en el interior del radiador, en el caso
de calefacción eléctrica), lo que provoca un ahorro energético en el sistema.
Preferiblemente dicho primer tiempo t1 se calcula de la siguiente forma:
se mide la temperatura Tm de un recinto asociado a dicho sistema eléctrico; se compara dicha temperatura Tm medida con una temperatura de
consigna Te previamente establecida y se calcula un error e(t), e(t)= Tc-Tm; utilizando ese error e(t) se obtiene el primer tiempo t1 con la siguiente
ecuación:
t1fT (%)= Kp'e(t)+Ki Je(t)dt+ Kd'de(t)/dt [1] donde Kp, Ki Y Kd son unas constantes, cuyo valor es ajustado experimentalmente, y preferiblemente son las mismas --cada una por separado-para el sistema eléctrico en el que se aplique el procedimiento de la invención.
Estas constantes Kp, Ki Y Kd también pueden tener valores diferentes,
en cuyo caso su valor dependerá de ciertos parámetros del sistema eléctrico
correspondiente (potencia, dimensiones, ... ). De forma preferente, dicha onda cuadrada se aplica sobre el elemento
calefactor una vez alcanzado el régimen permanente en dicho sistema eléctrico.
Dicho sistema eléctrico puede ser un sistema de calefacción eléctrica por convección natural con fluido en el interior calentado por dicho elemento calefactor. En este caso el recinto en el que se mide la temperatura Tm es un recinto en el que está instalado dicho sistema de calefacción eléctrica.
Dicho sistema eléctrico también puede ser un sistema eléctrico de agua sanitaria, que comprende un termo en cuyo interior está el elemento calefactor. En este caso el recinto en el que se mide la temperatura Tm es el calderón del termo.
BREVE DESCRIPCiÓN DE LOS DIBUJOS Para complementar la descripción que se está realizando y con
objeto de ayudar a una mejor comprensión de las caracteristicas del invento, de acuerdo con un ejemplo preferente de realización práctica del mismo, se acompaña como parte integrante de dicha descripción, un juego de dibujos en
donde con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente: En la Figura 1 se muestra un elemento radiador convencional
basado en funcionamiento por convección natural del aire, con fluido en el
interior.
La figura 2 muestra el esquema de un termo donde se aplica el procedimiento de regulación objeto de la presente invención. La Figura 3 muestra un diagrama de bloques con una posible
implementación del procedimiento de regulación de la invención.
La Figura 4 muestra la temperatura medida en un recinto calentado con un calefactor con fluido que incluye el sistema de la invención y la temperatura medida en un recinto calentado con un calefactor con fluido convencional.
La Figura 5 muestra la diferencia de temperatura medida en el fluido en el interior de un calefactor con fluido que incluye el sistema de la invención y con un calefactor con fluido convencional.
La Figura 6 muestra la potencia absorbida por un calefactor eléctrico con fluido de acuerdo con una realización de la invención.
La Figura 7 muestra la potencia absorbida por un calefactor eléctrico con fluido convencional.
La figura 8 representa el volumen extraído del agua del termo en diferentes horas del día.
La figura 9 muestra la evolución de la temperatura del recinto
(calderón del termo en este caso) en un termo con control tradicional y en el
caso de un termo con el procedimiento de control de la invención.
La figura 10 muestra la evolución de las potencias instantáneas en el caso de un termo con control tradicional y en el de un termo con el
procedimiento de control de la invención De forma similar, la figura 11 muestra la evolución de la energía
consumida en el tiempo por un termo con control tradicional y por un termo con el procedimiento de control de la invención .
REALIZACiÓN PREFERENTE DE LA INVENCiÓN El sistema y procedimiento de control de la presente invención tiene
su aplicación en cualquier tipo de sistemas que use un elemento calefactor
interior, y en el que el corte de corriente eléctrica sobre dicho elemento
calefactor se produzca mediante semiconductores. Dos ejemplos de campo de aplicación de la presente invención son la calefacción eléctrica por
convección natural con fluido en el interior, y el termo eléctrico de agua
caliente sanitaria (ACS).
Como ya se ha indicado antes, en la figura 1 se muestra un radiador 10 que incluye en su interior una resistencia 20 eléctrica que funciona como elemento calefactor del fluido 30 que la rodea.
La resistencia en la realización preferida está fabricada en acero y transforma la energía eléctrica en calor con unas condiciones de densidad de potencia entorno a 3W/cm"2 para que la transmisión sea lo más homogénea y
eficiente posible. El fluido de transferencia térmica con baja viscosidad para aumentar los coeficientes de transferencia térmica (se trata de un aceite mineral de
transferencia térmica), lo que lo hace un medio ideal para la transmisión del calor generado por la resistencia al cuerpo transmisor de calor fabricado en
aluminio.
El radiador 10 -{) cuerpo transmisor de calor-está fabricado en aluminio inyectado mediante una aleación EN AB 46100, material de alta capacidad de transmisión de calor y poca inercia térmica que provoca una transmisión de calor al ambiente de la manera más óptima.
En la figura 2 se muestra un esquema simplificado de un termo 40 eléctrico de agua caliente sanitaria (ACS), en el que también es aplicable el procedimiento de regulación de la invención. De forma similar a la calefacción eléctrica, el termo 40 incluye un elemento calefactor del agua materializado en
una resistencia 20'. De acuerdo con la invención, tanto el radiador 10 como el termo 40
incluyen además un control 50 basado en un circuito digital mediante uso de semiconductores que producen múltiples conexiones y desconexiones sobre la resistencia (tren de pulsos), y que tiene como consecuencia una
disminución de la oscilación de la temperatura tanto del fluido en el interior del
radiador, como del recinto a calefactar.
De acuerdo con la realización preferida de la invención, en el control 50 se implementa un procedimiento que provoca una regulación óptima de la temperatura tanto del aceite como del recinto, y un ahorro energético.
El procedimiento de regulación o control de la invención lo que hace es realizar múltiples encendidos y apagados sobre el elemento calefactor provocando un ahorro energético en el sistema.
En ambos sistemas (calefacción eléctrica o ACS) el funcionamiento se puede dividir en dos periodos de trabajo: un régimen transitorio para salvar la inercia inicial, y un régimen permanente donde hay que mantener la temperatura del recinto lo más estable posible y cercana a la temperatura de consigna establecida en el producto. El recinto en el caso de la calefacción eléctrica es la habitación o lugar donde esté instalado el radiador, y en el caso del agua caliente sanitaria, el recinto es el calderón del termo.
El procedimiento de regulación de la invención se aplica sobre el régimen permanente.
La secuencia de múltiples conexiones y desconexiones sobre el elemento de corte -conmutador (triac) que actúa sobre la resistencia 20 en el caso del radiador 10, o conmutador (triac) que actúa sobre la resistencia 20' en el caso del termo 40-se realiza de la siguiente manera:
Se genera una onda cuadrada de 5 segundos de periodo T que se aplica al elemento de corte de apertura/cierre.
Sobre este periodo T se aplica un porcentaje de tiempo t1 que la señal está en su valor superior (en ON o a 1) Y un porcentaje de tiempo t2 en el que está en su valor inferior (en OFF o a O).
El calculo de esos porcentajes de tiempo t1 y t2 (T ~t1 +t2), que la onda que se aplica sobre el elemento de corte está en ON y en OFF, respectivamente, se calcula de la siguiente forma: 1-Se mide la temperatura del recinto Tm mediante una sonda NTC de valor entre 1 K Y 100K. 2-Se compara la temperatura medida Tm por la sonda con la temperatura de consigna Tc (que se ha definido y establecido previamente), y esto da un error e(t), e(t)~Tc-Tm. 3-Este error e(t) se introduce en la ecuación siguiente [1], y se obtiene el porcentaje de tiempo que la resistencia tiene que estar consumiendo, t1 rr
(%): t1fT (%)~ Kp'e(t)+Ki Je(t)dt+ Kd'de(t)/dt [1] donde Kp, Ki Y Kd son unas constantes ajustadas experimentalmente y son
las mismas --cada una por separado-para todos los radiadores o termos.
De hecho, lo que se hace es dimensionar los radiadores correctamente para el recinto o habitación donde estén instalados, y la acción
calculada por el procedimiento de la invención es amplificada por la
resistencia según la habitación.
Estas constantes también podrian tener valores diferentes dependiendo del recinto en el que se vayan a instalar, de la potencia del radiador, etc.
Mediante el procedimiento de regulación de la invención se consigue
una disminución de la oscilación de la temperatura que, en el caso del
radiador eléctrico, es tanto del fluido en el interior del radiador como del
recinto en el que esté el radiador instalado. Es decir, se consigue mantener la
temperatura con las mínimas variaciones posibles.
5
Esta regulación sobre el elemento calefactor -sea de un radiador
eléctrico o de un termo eléctrico-se puede conseguir mediante un control
como el que se describe en la figura 3, en el que, sobre la ecuación [1]
anterior:
El primer término, Kp'e(t), del segundo miembro de la ecuación
lO
(bloque 110) representa la diferencia entre la temperatura medida Tm en el
recinto por la sonda y la temperatura de consigna Tc. El valor de la constante
Kp es ajustado experimentalmente en función de cada aplicación; ejemplos de
posibles valores para esta constante Kp son: 0.25, 0.5, 0.75.
En el segundo término, Ki Je(t)dt (bloque 120), se multiplica la integral
15
del error por una constante Ki que también se ajusta experimentalmente para
cada aplicación. Valores tipicos de esta constante Ki son: 1/16,1/64, 1/128,
1/256, 1/5 12. Este término representa la evolución del acumulado del error.
En el tercer término, Kd'óe(t)/dt (bloque 130), se multiplica la derivada
del error por una constante Kd que, al igual que las anteriores, se ajusta en
20
función de la aplicación. Valores representativos de esta constante Kd pueden
ser: 1, 2, 3, 4.
Estos términos se suman (sumador 140) y se obtiene un porcentaje
de tiempo , t1fT (%), en el que la resistencia está conectada sobre el ciclo de
trabajo de 5 segundos del periodo del pulso.
25
Mediante esta regulación suma de tres términos se consigue activar o
desactivar el elemento calefactor el tiempo justo para mantener la temperatura
cuando se ha alcanzado en el recinto la temperatura de consigna.
Asi, por ejemplo, en el caso de calefacción eléctrica:
mediante el primer término del control (término propocional) se
30
consigue que cuando la temperatura del recinto es muy diferente a la de
consigna el elemento calefactor se pone a consumir todo el tiempo (si la
temperatura baja se enciende el radiador, si la temperatura sube lo apaga); pero gracias al control integral y diferencial, si hay una temperatura consigna de 20'C y la temperatura medida es de 20,3'C, pero hasta hace
unos segundos ha estado durante 2 horas a 21 ºC, enciende también se activa
el elemento calefactor a tope antes de que sea inferior a la consigna. Como se aprecia en la figura 4, la aplicación del procedimiento de
control de la invención a un calefactor eléctrico tiene como consecuencia que la temperatura Tr1 del recinto a calentar es más estable que cuando ese mismo recinto es calentado con un calefactor eléctrico convencional
(temperatura Tr2). Esta estabilidad en la temperatura del recinto repercute en
el usuario en un mayor confort en cuanto a la sensación térmica se refiere.
Como ya se ha indicado, esta estabilidad en la temperatura alcanzada en el recinto se consigue manteniendo estable la temperatura del fluido interior del calefactor.
En la figura 5 se puede apreciar cómo la variación de la temperatura del fluido (Tf2) en caso de un sistema tradicional oscila entorno a 20' C, mientras que la oscilación de la temperatura del fluido (Tf1) mediante la aplicación de la presente invención es sólo de 5' C.
La potencia absorbida por un calefactor que lleva incorporado el sistema de la invención se representa en la figura 6. Se puede observar los múltiples ciclos de ON/OFF que provoca la estabilidad de la temperatura del fluido y ahorro energético constatado por laboratorios independientes. Dichos laboratorios han verificado que se obtiene un 60% de ahorro de tiempo de consumo respecto al total que tendría un sistema que estuviera todo el tiempo consumiendo.
En la figura 7 se muestra cómo en el caso del mismo calefactor eléctrico con un sistema tradicional de regulación de temperatura los ciclos de ON/OFF son menos numerosos, provocando unas temperaturas en el fluido con una oscilación superior.
En la figura 8 se muestra el volumen de agua extraído de un termo en diferentes horas del día, tanto en un termo con control convencional, como en
un termo sobre el que se aplica el procedimiento de control de la invención.
Como se puede ver en esta figura 8, el termo refleja una mayor
actividad a primera hora de la mañana (entre las 07:00 y las 09:00), y también
cierta actividad al mediodía, 14:00-15:00 y tambíén a última hora de tarde,
5 entre las 20:00 y las 22:00. En la figura 9 se muestra la evolución de la temperatura del recinto (calderón del termo en este caso) en ambos casos: en el caso del termo con
control tradicional Ec1 , y en el caso del termo con el procedimiento de regulación de la invención Ec2. Se puede apreciar que la recuperación de la
10 temperatura es más rápida en el caso Ec2. La figura 10 muestra la evolución de las potencias instantáneas en
ambos ensayos, y se observa que en el caso de ensayo con el control de la invención, Ec2, el número de paradas es superior al ensayo con control
tradicional Ec1 15 Por último, en la figura 11 se muestra la evolución de la energía
consumida en el tiempo por el termo de agua caliente sanitaria, ACS, en un
sistema con la regulación de la presente invención Ec1 , y por un sistema con control tradicional Ec2, donde se aprecia el menor consumo acumulado en el
caso de aplicar el control objeto de la presente invención.
20 A la vista de esta descripción y juego de figuras, el experto en la
materia podrá entender que las realizaciones de la invención que se han
descrito pueden ser combinadas de múltiples maneras dentro del objeto de la
invención.

Claims (5)

  1. REIVINDICACIONES
    1.-Procedimiento de regulación digital de un sistema eléctrico (10, 50), comprendiendo dicho sistema eléctrico un elemento calefactor (20, 20') 5 alimentado por un elemento de corte, caracterizado por que comprende:
    generar una onda cuadrada con un periodo T, cuya onda está en su valor extremo superior durante un primer tiempo t1 , Y en su valor extremo
    inferior durante un segundo tiempo t2, siendo T ~t1 +t2; lO aplicar dicha onda cuadrada sobre el elemento de corte durante al menos un tiempo establecido t, donde t~N'T, siendo N entero y positivo, de
    forma que se produce una secuencia de arrancadas y paradas sobre dicho
    elemento de corte durante al menos dicho tiempo establecido.
    15 2. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado por que dicho
    primer tiempo t1 se calcula de la siguiente forma:
    se mide la temperatura Tm de un recinto asociado a dicho sistema eléctrico (10, 40);
    se compara dicha temperatura Tm medida con una temperatura de
    20 consigna Tc previamente establecida y se calcula un error e(t), e(t)~Tc-Tm; utilizando ese error e(t) se obtiene el primer tiempo t1 con la siguiente
    ecuación:
    t1fT (%)~ Kp'e(t)+Ki Je(t)dt+ Kd'de(t)/dt [1] donde Kp, Ki Y Kd son unas constantes ajustadas experimentalmente.
  2. 3. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 1-2, caracterizado por que dicha onda cuadrada se aplica una vez alcanzado el régimen permanente en dicho sistema eléctrico.
    30 4. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 1-3, caracterizado por que dicho sistema eléctrico es un sistema de calefacción
    eléctrica por convección natural con fluido (30) en el interior calentado por dicho elemento calefactor (20).
  3. 5. Procedimiento según la reivindicación 4 cuando depende de la 2, 5 caracterizado por que dicho recinto es un recinto en el que está instalado
    dicho sistema de calefacción eléctrica.
  4. 6. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 1-3, caracterizado por que dicho sistema eléctrico es un sistema eléctrico de agua
    10 sanitaria, que comprende un termo (40) en cuyo interior está el elemento calefactor (20').
  5. 7. Procedimiento según la reivindicación 6 cuando depende de la 2,
    caracterizado por que dicho recinto es el calderón del termo (40). 15
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