ES2633850T3 - Método de control para un calentador de agua doméstica con acumulador térmico - Google Patents

Método de control para un calentador de agua doméstica con acumulador térmico Download PDF

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Abstract

Método de control para un calentador (1; 30) de agua doméstica que comprende un primer intercambiador (20) de calor conectable a una fuente (Q1) de energía térmica, un segundo intercambiador (4) de calor conectable a un sistema de agua caliente doméstica, un acumulador térmico (3) conectado por medio de un circuito fluídico (5', 5'') a dichos primer y segundo intercambiadores (20, 4) de calor, una pluralidad de sensores (S1', S2', S3') de temperatura para medir el gradiente térmico vertical en dicho acumulador térmico (3), una válvula (D) dispuesta en dicho circuito fluídico (5', 5'') y teniendo una salida conectada a una derivación secundaria (S1) de dicho primer intercambiador (20) y dos entradas conectadas respectivamente a una zona inferior (9) y a una zona intermedia (I) de dicho acumulador térmico (3), y una bomba (P) dispuesta corriente abajo de dicha válvula (D), comprendiendo dicho método de control los pasos de: - controlar el gradiente térmico vertical en dicho acumulador térmico (3) por medio de dichos sensores (S1', S2', S3') de temperatura; y - bien cambiar dicha válvula (D) a un primer modo para conectar dicha zona inferior (9) con una zona superior (7) de dicho acumulador térmico (3) por medio de una derivación (S1) de dicho circuito (5', 5'') pasando a través de dicho primer intercambiador (20) de calor y - mantener dicha fuente (Q1) de energía térmica, activa y controlar dicha bomba (P) hasta que el gradiente detectado por medio de dichos sensores (S1', S2', S3') de temperatura vuelva a cero y el fluido en dicho acumulador térmico converja hacia una primera temperatura predeterminada; - o cambiar dicha válvula (D) a un segundo modo y apagar dicha fuente (Q1) de energía térmica para enviar a dicho primer intercambiador (20) fluido que tiene una segunda temperatura predeterminada más baja que dicha primera temperatura predeterminada;

Description

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DESCRIPCION
Metodo de control para un calentador de agua domestica con acumulador termico Campo tecnico
La presente invencion se refiere a un metodo para regular un calentador, en particular para agua domestica, que comprende un acumulador termico.
Antecedentes de la tecnica
Existe la necesidad de controlar el calentamiento del agua domestica para reducir el consumo de energia sin reducir el nivel de confort del usuario. En particular, el uso de agua caliente puede ser muy discontinuo durante el dia, durante la semana dependiendo de si los dias son laborales o no laborales, y durante todo el ano segun las estaciones. Es preferible optimizar el consumo de energia asegurando al mismo tiempo que la cantidad de agua caliente que necesite el usuario siempre este disponible, incluso durante los periodos con picos de demanda. El agua caliente generada por el calentador se suministra como agua para instalaciones sanitarias, tales como cuartos de bano, asi como en instalaciones deportivas o gimnasios, y para instalaciones de ocio tales como piscinas, baneras de hidromasaje o estaciones recreativas con pilas de agua caliente. Mas generalmente, se pueden considerar todos aquellos usos para los que la temperatura maxima del agua caliente que sale del calentador no sobrepase los 70 0C.
Un acumulador termico es un deposito para fluidos que tiene un calor especifico para almacenar energia termica que se transfiere para calentar el agua dirigida al usuario final.
DE-A1-19846364 describe un metodo de control para un sistema calentador de agua domestica que comprende un acumulador y sensores de temperatura para detectar el gradiente de temperatura vertical dentro del acumulador. El sistema conocido se acopla a un colector solar y comprende ademas una fuente de energia termica para calentar agua ademas del colector solar. El control del sistema de calentamiento de agua domestica conocido puede mejorarse, en particular, cuando la fuente de energia termica esta apagada.
Descripcion de la invencion
Es objeto de la presente invencion proporcionar un metodo para controlar un calentador de agua domestica al menos parcialmente capaz de satisfacer los requisitos especificados arriba.
El objeto de la presente invencion se consigue mediante un metodo segun la reivindicacion 1.
Breve descripcion de los dibujos
La invencion se describira ahora con referencia a los dibujos que se acompanan, que muestran unas realizaciones no limitativas de la misma, donde:
- la Figura 1: se refiere a un diagrama funcional de un calentador de agua domestica segun la presente invencion; y
- la Figura 2: se refiere a un diagrama funcional segun otra realizacion de la presente invencion.
Mejor modo de realizar la invencion
En las figuras, el numero 1 ilustra un calentador, en su conjunto, que comprende un termogenerador 2, un acumulador termico 3 y un intercambiador 4 de calor, en conexion de fluidos entre si mediante los circuitos 5’ y 5’’ de recirculacion.
El termogenerador 2 comprende un intercambiador 20 de calor para transferir energia termica Q1 desde una derivacion primaria P1 hacia una derivacion secundaria 31 conectada al circuito 5’ de recirculacion y, opcionalmente, a una caldera conectada a la derivacion primaria 21. La caldera puede proporcionar la energia termica Q1 transferida al fluido del circuito 5’ de recirculacion, o este ultimo puede suministrarse por una red de transporte de energia termica, p. ej., una red de calefaccion centralizada de un barrio o similar, provista con un regulador para el flujo que entra en la derivacion primaria P1.
El acumulador termico 3 tiene una estructura vertical para permitir la estratificacion termica del fluido portador que circula en los circuitos 5’ y 5’’. El fluido portador se estratifica en base al gradiente termico vertical dentro del acumulador termico 3 y las capas mas frias estan en la zona mas baja, mientras que aquellas a mayor temperatura estan en la zona mas alta. La derivacion secundaria S1 del intercambiador 20 de calor se conecta preferiblemente por su salida a traves de un conducto 6 hasta una zona superior 7 del acumulador termico 3 de
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tal manera que el fluido portador calentado entre en la capa mas caliente del acumulador termico 3. El circuito 5’ de recirculacion tambien comprende un conducto 8 de salida para conectar la parte inferior 9 del acumulador termico 3 a la entrada de la derivacion secundaria S1 del intercambiador 20 de calor. El fluido portador, que fluye desde el acumulador termico 3 hacia la derivacion secundaria S1 del intercambiador 20 de calor es controlado por una valvula D situada en el conducto 8. Durante el uso, la valvula D, que tiene una ubicacion distinta, envia bien fluido tomado desde la parte inferior 9 o fluido tomado desde una zona intermedia I del acumulador termico 3 al intercambiador 20 de calor.
Para detectar el gradiente termico en la direccion vertical se incluyen unos sensores de temperatura, p. ej. tres sensores S1 S2’, S3’ montados para detectar la temperatura del fluido dentro del acumulador termico 3 a tres alturas verticales diferentes, cerca de la parte inferior 9, cerca de la zona superior 7 y en la zona intermedia I, por ejemplo.
La zona superior 7 alimenta el intercambiador 4 de calor mediante el circuito 5’’ de recirculacion. El circuito 5’’ de recirculacion tiene un anillo controlado mediante una valvula solenoide 11, para recircular el fluido portador en una derivacion primaria P2 del intercambiador 4 de calor. Una derivacion secundaria S2 del intercambiador 4 de calor se conecta a un usuario final a traves de una tuberia 12 de entrada y una tuberia 13 de salida. La entrada de la valvula solenoide 11 se conecta a la zona superior 7 y a la parte inferior 9 a traves de los conductos 14 y 15 respectivos. Una salida de la valvula solenoide 11 se conecta a la derivacion primaria P2. Tambien se proporciona una bomba electrica 16 en el circuito 5’’ de recirculacion, corriente abajo de la valvula solenoide 11.
La valvula solenoide 11 realiza la funcion de mezclar fluido de la parte inferior 9 con fluido de la zona superior 7 del acumulador termico 3. La valvula solenoide 11 se controla de manera que mantenga la temperatura en las placas del intercambiador 4 de calor a una temperatura inferior a 63 °C. La bomba electrica 16 impone una depresion corriente arriba de si misma y, mediante la valvula solenoide 11, la extraccion se realiza desde dos zonas del acumulador termico 3, que potencialmente tienen diferentes temperaturas: mas baja en la parte inferior 9 y mas alta en la zona superior 7.
Ademas, el calentador 1 comprende sensores M para medir la temperatura T y el flujo F en el conducto 13, para detectar la solicitud de agua caliente por el usuario final y verificar la temperatura a la que esta agua se suministra. Esta temperatura esta en funcion de la energia termica Q2 transferida desde la derivacion primaria P2 hasta la derivacion secundaria S2 del intercambiador 4 de calor.
Segun la presente invencion, el calentador 1 comprende ademas una unidad C de control para hacer funcionar la bomba electrica 16 y las valvulas solenoides D, 11 en base a las senales de los sensores 51’, S2’, S3’, T, F, para conseguir una estrategia de gestion de energia conocida como “Sistema de Gestion de Energia - SGE”.
En particular, la unidad C de control se programa segun un primer modo de funcionamiento donde la temperatura de fluido en el acumulador termico 3 es la que se obtiene de usar el termogenerador 2 en la zona de eficiencia maxima. Por ejemplo, si el termogenerador 2 esta asociado a una caldera de condensacion y el intercambiador 20 de calor esta disenado para una diferencia de temperatura de 15 0C, la temperatura en la zona intermedia I, correspondiente al sensor S2’ (Figura 1), se mantiene a aproximadamente 55 0C. La bomba electrica 16 y las valvulas solenoides 11, D se ajustan entonces para controlar un flujo que circula en los circuitos 5’, 5’’ de recirculacion de manera que esta condicion se mantenga. En particular, el sensor S2 se coloca de manera que la temperatura detectada sea indicativa de la del fluido enviado a la valvula D a traves del conducto 19. A traves de una temperatura de fluido en la entrada inferior a 55 0C en la derivacion secundaria S1 del intercambiador 20 de calor, se obtiene una eficiencia maxima si dicho intercambiador de calor esta asociado a una caldera de condensacion.
Ademas, la unidad C de control se programa segun otro modo de funcionamiento de manera que la temperatura medida por los sensores S1 ’ y S3’ (con referencia a la Figura 1) sea igual, con una desviacion de +/- 3 °C, es decir, que el gradiente tienda a cero. En particular, la temperatura se predetermina en un valor mas alto que la medida por el sensor S2 en el primer modo de funcionamiento. Preferiblemente, esta temperatura es de 75 qC. Cuando el intercambiador 4 de calor es un intercambiador de calor de placas, una temperatura de 75 °C del fluido portador en el acumulador termico 3 mantiene las placas del intercambiador 4 de calor a una temperatura inferior a 63 0C para impedir depositos de sales y otros agentes incrustantes, que reducen la eficiencia del propio intercambiador. Este efecto se consigue mediante una medicion especifica de la temperatura y por la accion de la unidad C de control, que entonces mezcla el fluido mas frio de la parte inferior 9 con fluido mas caliente de la zona superior 7 por medio de la valvula solenoide 11.
Cuando hay que cambiar la temperatura de la parte inferior 9 y de la zona superior 7, a traves de la bomba electrica P y la valvula D, la unidad C de control envia el flujo de fluido portador que se deba calentar a la derivacion secundaria S1 del intercambiador 20 de calor. Al mismo tiempo, la unidad C de control controla la ignicion de la caldera que alimenta la derivacion primaria P1 del intercambiador 20 de calor.
Cuando la unidad C de control cambia del segundo modo de funcionamiento al primer modo de funcionamiento, la temperatura detectada por S2’ debe descender. Para ello, la unidad C de control se configura, por ejemplo, para controlar la temperatura de S2’ de manera que las perdidas termicas impongan el descenso de temperatura.
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Preferiblemente, la bomba electrica 16 tiene una capacidad cubica fija y el control de la temperatura se lleva a cabo de manera independiente mediante ciclos especificos de activacion/ desactivacion.
Segun la realizacion mostrada en la Figura 2, un calentador 30 comprende los mismos elementos descritos con referencia al calentador 1, con las siguientes anadiduras.
El calentador 30 puede comprender un intercambiador 31 de calor que tiene una derivacion primaria P3 conectada por su entrada a la zona superior 7 y por su salida a la parte intermedia I del acumulador termico 3 mediante los conductos respectivos 32, 33. Una bomba electrica 34 especifica del intercambiador 31 de calor regula el flujo en la derivacion primaria P3. La derivacion secundaria S3 del intercambiador 31 de calor recibe el calor Q3 y esta adaptada para conectarla a un usuario de agua caliente con temperatura intermedia, tal como una piscina pequena o una banera de hidromasaje. Esta temperatura intermedia es mas baja que la de la salida en el conducto 13.
El calentador 30 tambien puede comprender, en combinacion o como alternativa al intercambiador 31, un serpentin 35 provisto dentro del acumulador termico 3 que se extiende en direccion vertical desde la parte inferior 9 y debajo de la posicion vertical del sensor S2. El serpentin 35 calienta el fluido portador mediante la energia termica generada por un sistema de fuentes renovables, tal como un sistema solar termico. Los sensores respectivos 36 y 37 miden las temperaturas de entrada y salida de otro fluido portador transportado a traves del serpentin 35, y una bomba electrica 38 controla el flujo circulante en el serpentin.
Durante el uso, el serpentin 35 puede calentar el fluido en S1 ’, mediante el calor Q4, para pasar las temperaturas de 55 0C detectadas por S2 en el primer modo de funcionamiento de la unidad C de control. En este caso, debe considerarse que el fluido, a estas temperaturas, puede tener gradientes termicos muy altos. Por lo tanto, en este caso, la unidad C de control puede enviar el fluido desde la parte inferior 9 hasta la zona superior 7, mediante el accionamiento de la bomba electrica P y la valvula solenoide D, sin tener que encender la caldera conectada al intercambiador 20 de calor. En este caso, la produccion de calor debido al sistema solar termico se retiene dentro del acumulador termico 3 para mantener una temperatura relativamente baja en la zona intermedia. Ademas, la unidad C de control se programa para que solo encienda la caldera conectada a la derivacion primaria del intercambiador 20 de calor cuando el calor del sistema solar termico ya no sea suficiente para alcanzar las temperaturas del primer modo de funcionamiento.
En relacion con el control del intercambiador 31 de calor, la temperatura en la derivacion secundaria de salida hacia el usuario, p. ej., una piscina pequena o banera de hidromasaje, es tal que es mas baja que la medida por el sensor S2 en el primer modo de funcionamiento, p. ej., 35 0C. La unidad C de control controla esta temperatura a traves del accionamiento de la bomba electrica 34 y un sensor S6 de temperatura especifico.
Ademas, la unidad C de control tiene un temporizador para cambiar automaticamente del primer al segundo modo de funcionamiento, por ejemplo, en base a la programacion segun unos ciclos de dia/noche y/o dias laborables/no laborables y/o estacionales predeterminados. Con ello, los transitorios para la transicion del primer al segundo modo de funcionamiento se anticipan con respecto a la solicitud real esperada del usuario, de manera que la respuesta del calentador 1, 30 es mas rapida. Por ejemplo, si el calentador 1, 30 se conecta a un sistema para el vestuario de un gimnasio, la unidad C de control puede programarse para cambiar al segundo modo de funcionamiento, por ejemplo, desde las 16:00 h hasta las 21:00 h, cuando hay un pico de demanda predecible de agua caliente continua para las duchas.
Segun una realizacion preferida de la presente invencion, el calentador 1 se monta en un bastidor para definir un modulo transportable, facilmente instalable. Los conductos que definen la derivacion primaria P1 del intercambiador 20 de calor, la derivacion secundaria S2, S3 de los intercambiadores 4 y 31 de calor, y la conexion al serpentin 35 se proporcionan con conexiones liberables, por ejemplos con bridas, para conectarlos a sus: conductos de suministro de energia termica, por ejemplo, por medio de una caldera de condensacion; usuarios que necesiten temperaturas elevadas, tal como para duchas; usuarios que necesiten temperaturas mas bajas, tal como para baneras de hidromasaje; y sistemas solares termicos.
Los circuitos 5’, 5’’ de recirculacion definen un circuito cerrado donde el fluido portador puede ser agua con aditivos adecuados para evitar la corrosion o el deposito de sales durante el funcionamiento con varios intervalos de temperatura.
Los sensores S1’, S2’, S3’ de temperatura muestrean la temperatura a intervalos, p. ej. cada 0,25 s, y tienen una precision dentro de una fraccion de un grado centigrado, p. ej., 0,5 0C.

Claims (5)

  1. 10
    15
    20
    25
  2. 2.
    30 3.
  3. 4.
    35
    40
  4. 5.
    45 6.
  5. 7.
    50
    REIVINDICACIONES
    Metodo de control para un calentador (1; 30) de agua domestica que comprende un primer intercambiador (20) de calor conectable a una fuente (Q1) de energia termica, un segundo intercambiador (4) de calor conectable a un sistema de agua caliente domestica, un acumulador termico (3) conectado por medio de un circuito fluidico (5’, 5’’) a dichos primer y segundo intercambiadores (20, 4) de calor, una pluralidad de sensores (S1’, S2’, S3’) de temperatura para medir el gradiente termico vertical en dicho acumulador termico (3), una valvula (D) dispuesta en dicho circuito fluidico (5’, 5’’) y teniendo una salida conectada a una derivacion secundaria (S1) de dicho primer intercambiador (20) y dos entradas conectadas respectivamente a una zona inferior (9) y a una zona intermedia (I) de dicho acumulador termico (3), y una bomba (P) dispuesta corriente abajo de dicha valvula (D), comprendiendo dicho metodo de control los pasos de:
    - controlar el gradiente termico vertical en dicho acumulador termico (3) por medio de dichos sensores (S1 ’, S2’, S3’) de temperatura; y
    - bien cambiar dicha valvula (D) a un primer modo para conectar dicha zona inferior (9) con una zona superior (7) de dicho acumulador termico (3) por medio de una derivacion (S1) de dicho circuito (5’, 5’’) pasando a traves de dicho primer intercambiador (20) de calor y
    - mantener dicha fuente (Q1) de energia termica, activa y controlar dicha bomba (P) hasta que el gradiente detectado por medio de dichos sensores (S1 ’, S2’, S3’) de temperatura vuelva a cero y el fluido en dicho acumulador termico converja hacia una primera temperatura predeterminada;
    - o cambiar dicha valvula (D) a un segundo modo y apagar dicha fuente (Q1) de energia termica para enviar a dicho primer intercambiador (20) fluido que tiene una segunda temperatura predeterminada mas baja que dicha primera temperatura predeterminada;
    El metodo segun la reivindicacion 1, caracterizado por que dicho paso de cambio comprende el paso de cambiar independientemente y dicho paso de control comprende el paso de controlar independientemente, dicha bomba (P) teniendo capacidad cubica constante.
    El metodo segun una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que comprende el paso de seleccionar automaticamente entre los pasos de cambiar en el primer modo o cambiar en el segundo modo en base a un temporizador.
    El metodo segun una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde dicha unidad generadora comprende una segunda valvula (11) que tiene una primera entrada conectada a dicha zona superior (7), una segunda entrada conectada a dicha zona inferior (9) y una salida conectada a una derivacion primaria (P2) de dicho segundo intercambiador (4) de calor y comprendiendo el paso de regular continuamente dicha segunda valvula (11) para mantener la temperatura del fluido que entra en dicho segundo intercambiador de calor por debajo de otro valor predeterminado.
    El metodo segun una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que comprende el paso de medir dicha segunda temperatura predeterminada en dicha zona intermedia (I) por medio de uno de dichos sensores (S2’).
    El metodo segun una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que dicho calentador (30) de agua comprende un serpentin (35) alojado en dicho acumulador termico (3) empezando desde dicha zona inferior (9) y disenado para conectarlo a un sistema de calor solar.
    El metodo segun una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que dicho calentador (30) comprende un tercer intercambiador (31) de calor que tiene otra derivacion primaria (P3) conectada en la entrada a dicha zona superior (9) y en la salida a dicha zona intermedia (I), y otra derivacion secundaria (S3) conectable a un uso externo, disponiendose una segunda bomba (34) en dicha otra derivacion primaria (P3) y activandose hasta que una temperatura del agua para dicho usuario sea mas baja que la temperatura en la salida de dicho segundo intercambiador (4) de calor.
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