ES2642072T3

ES2642072T3 - Sistema de producción de agua caliente sanitaria y de enfriamiento por energía solar

Info

Publication number: ES2642072T3
Application number: ES14752909.3T
Authority: ES
Inventors: François BOUDEHENN; Philippe Papillon
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 2013-09-13
Filing date: 2014-07-29
Publication date: 2017-11-15
Anticipated expiration: 2034-07-29
Also published as: MA38897A1; FR3010776A1; EP3044521A1; WO2015036668A1; IL244502A0; EP3044521B1; IL244502B; TN2016000099A1; FR3010776B1

Description

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DESCRIPCION

Sistema de produccion de agua caliente sanitaria y de enfriamiento por ene^a solar Campo de la invencion

La invencion esta relacionada con el campo de la produccion de agua caliente sanitaria y enfriamiento por energfa solar.

Estado de la tecnica

Un calentador de agua solar destinado a producir agua caliente para uso domestico, o agua "sanitaria", incluye habitualmente un sensor solar y un tanque de almacenamiento de un lfquido que hay que calentar, transportando el sensor solar la potencia termica que recibe del sol hacia el tanque de almacenamiento.

Por ejemplo, un sensor solar incluye varios caloductos, siendo un caloducto un dispositivo de transferencia de calor que comprende un recinto estanco, es decir, que no deja pasar ni los lfquidos ni los gases, tradicionalmente realizado en forma de un tubo o varios tubos coaxiales, que contiene el fluido caloportador, cuya fase lfquida esta en equilibrio con la fase vapor, igualmente llamado "sistema bifasico". En el marco de un sensor solar, el recinto se compone:

• de un evaporador, localizado en un extremo de este y destinado a calentarse por el sol,

• de un condensador, localizado en el otro extremo del recinto y destinado a enfriarse directa o indirectamente por el lfquido acumulado en el tanque de almacenamiento y

• de una zona intermedia denominada "adiabatica", localizada entre el evaporador y el condensador.

Por el efecto del calor del sol, el lfquido contenido en el evaporador se vaporiza y el vapor producido de este modo migra hacia el condensador en el cual se condensa transfiriendo calor al ifquido del tanque de almacenamiento. El lfquido condensado regresa entonces hacia el evaporador para un nuevo ciclo de evaporacion.

Se conoce la utilizacion de un calentador de agua solar solo, pero igualmente en cooperacion con una maquina frigonfica de absorcion solar para la produccion de fno, funcionando este tipo de maquina segun un ciclo termodinamico de absorcion y de separacion de un fluido refrigerante y de un absorbente. Se han considerado unos acoplamientos entre estos dos tipos de dispositivo para disponer de un unico sistema que permita a la vez el calentamiento de agua sanitaria y la implementacion de una funcion de enfriamiento, por ejemplo, de climatizacion.

Se pueden citar, por ejemplo, los documentos US 4 738 305, KR 2010/05326, KR 100585517 y JP 59035741 que describen unos acoplamientos espedficos.

No obstante, sea la que sea la utilizacion del calentador de agua solar, por razones de eficacia termica, los sensores solares se preven para captar y acumular un maximo de calor. De este modo, por ejemplo, el evaporador de un caloducto esta encerrado en varias capas de materiales transparentes a las radiaciones solares entre las cuales se forma un vado. De este modo, la radiacion solar se encuentra atrapada en el caloducto y el calor vehiculado por la radiacion solar que incide se transfiere sustancialmente en su totalidad al lfquido presente en el evaporador. De este modo, pueden alcanzarse unas temperaturas superiores a 250 °C en el evaporador y esto mismo para unas exposiciones al sol escasas.

No obstante, los fluidos caloportadores habitualmente utilizados para los sensores solares de tipo caloducto soportan diffcilmente las fuertes temperaturas sobre un largo periodo sin degradarse. En concreto, el fluido del circuito primario se oxida y pierde sus capacidades de transporte de calor. Sin precauciones particulares, se observa de este modo una disminucion de la eficacia de los caloductos y, por lo tanto, del sensor solar en su conjunto, a veces al cabo de algunos meses, mientras que los sensores solares estan destinados habitualmente a funcionar sobre un periodo de 20 anos. Asimismo, unas temperaturas excesivas pueden fragilizar los materiales constitutivos del sensor solar y del tanque de almacenamiento. De una manera general, se observa que un sobrecalentamiento repetido de un sensor solar aumenta el riesgo de mal funcionamiento del calentador de agua solar.

El documento DE 10 2010 017 674 B3 desvela un sistema de calentamiento segun el preambulo de la reivindicacion 1.

Exposicion de la invencion

La finalidad de la presente invencion es proponer un sistema que acopla un calentador de agua solar y una maquina de absorcion que protege el sensor solar del calentador de agua de los sobrecalentamientos maximizando al mismo tiempo el empleo de la energfa solar que incide sobre el sensor solar.

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Para ello, la invencion tiene como objeto un sistema de calentamiento y enfriamiento por energfa solar, que incluye:

■ un calentador de agua solar que comprende: o un sensor solar; y

o un tanque de almacenamiento en acoplamiento termico con el sensor solar para transferir energfa solar captada por el sensor solar a un lfquido presente en el tanque de almacenamiento;

■ una maquina de absorcion que comprende:

o un evaporador que contiene un fluido refrigerante y adecuado para estar en acoplamiento termico con una primera fuente caliente para enfriar esta;

o un absorbedor, en comunicacion con el evaporador para recibir de este fluido refrigerante y para enfriar el fluido refrigerante recibido absorbiendolo en una solucion que contiene un absorbente, de modo que se forme una solucion de absorbente enriquecida con fluido refrigerante, denominada solucion enriquecida; o un desorbedor adecuado para estar en acoplamiento termico con una segunda fuente caliente, estando el desorbedor en comunicacion con el absorbedor para recibir de este solucion de absorbente enriquecida con fluido refrigerante y para separar dicha solucion desorbiendo fluido refrigerante por medio de la segunda fuente caliente y en comunicacion con el absorbedor para proporcionar a este una solucion de absorbente empobrecida de fluido refrigerante; y

o un condensador adecuado para estar en acoplamiento termico con una fuente fna, estando el condensador en comunicacion con el desorbedor para recibir de este fluido refrigerante desorbido y para condensar el fluido refrigerante recibido por medio de la fuente fna y en comunicacion con el evaporador para proporcionar a este fluido refrigerante condensado.

El desorbedor comprende:

■ un intercambiador en comunicacion con el absorbedor para recibir de este solucion de absorbente enriquecida con fluido refrigerante, estando el intercambiador alojado en el tanque de almacenamiento, formando el tanque de almacenamiento la segunda fuente caliente; y

■ un separador lfquido/vapor en comunicacion:

o con el intercambiador para recibir de este la solucion de absorbente enriquecida con fluido refrigerante calentada en el intercambiador y para separar la solucion enriquecida entre, por una parte, una solucion de absorbente empobrecida de fluido refrigerante y, por otra parte, fluido refrigerante; o con el absorbedor para proporcionarle a este solucion de absorbente empobrecida de fluido refrigerante; y o con el condensador para proporcionar a este fluido refrigerante.

En otras palabras, visto del sensor solar, la fuente fna de este esta compuesta, por lo tanto, por el lfquido contenido en el tanque de almacenamiento y, por lo tanto, por el agua sanitaria que hay que calentar, pero igualmente por la mezcla de absorbente y de fluido refrigerante que hay que calentar de la maquina de absorcion. Para evitar el sobrecalentamiento del sensor solar, es suficiente entonces con poner en marcha esta ultima. Ademas, se observa que los periodos de sobrecalentamiento del sensor solar corresponden generalmente a los periodos de solicitud de enfriamiento. Tambien, una utilizacion tradicional de la maquina de absorcion, por ejemplo, para la climatizacion de una habitacion, evita el sobrecalentamiento del sensor solar. Por lo tanto, la utilizacion de la energfa solar captada se optimiza. Durante los periodos del ano mas fnos, la energfa solar puede utilizarse unicamente para calentar el agua sanitaria y durante los periodos mas calientes, la energfa excedente se utiliza para producir fno. Ademas, es posible sobredimensionar la instalacion y, por lo tanto, aumentar la tasa de cobertura solar, sin por ello inducir unos sobrecalentamientos excesivos.

Segun un modo de realizacion, el intercambiador comprende un conducto alojado en el tanque de almacenamiento del calentador de agua y en el cual circula solucion de absorbente enriquecida con fluido refrigerante. De este modo, no es necesario modificar el sensor solar. De este modo, puede utilizarse cualquier tipo de sensor solar.

En concreto, el calentador de agua incluye unos conductos para la circulacion de fluido entre el sensor solar y el tanque de almacenamiento y unos conductos para la circulacion entre el tanque de almacenamiento y un circuito de distribucion de agua sanitaria y dicho conducto del intercambiador esta separado de dichos conductos del calentador de agua. En otras palabras, el calentador de agua se modifica unicamente para prever un conducto que atraviesa el tanque de almacenamiento. De este modo, los otros elementos del calentador de agua pueden conservarse de modo que puede utilizarse cualquier tipo de calentador de agua mediando esta modificacion.

En particular, el sensor solar incluye un conducto que forma un circuito cerrado en el cual circula un fluido caloportador, estando una porcion del conducto del sensor solar alojada en el tanque de almacenamiento, el conducto del intercambiador alojado en el tanque de almacenamiento esta constituido por un tubo y la porcion del conducto del sensor solar alojada en el tanque de almacenamiento esta constituida por un tubo coaxial al tubo del conducto del intercambiador alojado en el tanque de almacenamiento. En esta configuracion, la solucion del desorbedor circula en un tubo interno y el fluido caloportador del sensor solar circula en un tubo externo al tubo del

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desorbedor. En caso de rotura del tubo del desorbedor, la solucion del desorbedor se mezcla con el fluido del sensor solar y no con el lfquido contenido en el tanque de almacenamiento, lo que permite, por lo tanto, proteger este ultimo, en concreto, cuando este ultimo esta constituido por el agua sanitaria que hay que calentar.

Ventajosamente, el conducto del intercambiador es un tubo de pared de doble capa, por ejemplo, un tubo fabricado por la comparua Wieland-Werke AG con la referencia "WKE" o "WKC". Un conducto de este tipo es ventajoso, en concreto, cuando se sumerge en el tanque de almacenamiento y este ultimo contiene el agua sanitaria que hay que calentar, limitando una pared de doble capa, en efecto, el riesgo de que la solucion contenida en el desorbedor se mezcle con el agua sanitaria en caso de rotura del conducto.

Segun un modo de realizacion, la maquina de absorcion comprende una bomba en comunicacion con el absorbedor y el intercambiador para bombear solucion de absorbente enriquecida con fluido refrigerante en el absorbedor y proporcionar la solucion bombeada al intercambiador.

Segun un modo de realizacion, el separador lfquido/vapor esta dispuesto en la proximidad del tanque de almacenamiento del calentador de agua e incluye una entrada conectada al absorbedor y dos salidas, respectivamente conectadas al condensador y al intercambiador. La salida conectada al condensador esta dispuesta en particular por encima de la salida conectada al intercambiador, con el fin de permitir una separacion lfquido/vapor por gravedad.

Segun un modo de realizacion, la maquina de absorcion comprende un regulador de presion entre separador lfquido/vapor y el absorbedor.

Segun un modo de realizacion, el tanque de almacenamiento, el desorbedor, el absorbedor y el condensador estan alojados en una carcasa, lo que permite instalar de manera sencilla el sistema, por ejemplo, sobre el muro de una vivienda.

Segun un modo de realizacion, el sistema comprende unos medios de control de la maquina de absorcion que incluyen un sensor de temperatura para medir la temperatura en el interior del tanque de almacenamiento y una unidad de control de la maquina de absorcion conectada a dicho sensor, activando la unidad de control la maquina de absorcion unicamente si la temperatura en el tanque es superior a una temperatura umbral predeterminada, en particular, una temperatura de 75 °C.

Breve descripcion de las figuras

La invencion se comprendera mejor con la lectura de la descripcion que va a seguir, dada unicamente a tftulo de ejemplo y realizada con relacion a los dibujos adjuntos, en los que:

■ la figura 1 es una vista esquematica de un sistema segun un primer modo de realizacion de la invencion;

■ las figuras 2 y 3 son unas vistas esquematicas que ilustran otros modos de realizacion de la invencion a la altura de la integracion del desorbedor;

■ la figura 4 es una vista esquematica que ilustra un sistema de control segun la invencion;

■ la figura 5 es un organigrama que ilustra un procedimiento implementado por el sistema de control;

■ la figura 6 es una histeresis de control de temperatura de la maquina de absorcion del sistema segun la invencion;

■ la figura 7 es un trazado que ilustra la tasa de cobertura y la tasa de sobrecalentamiento de un calentador de agua del estado de la tecnica y la necesidad de climatizacion de una vivienda;

■ la figura 8 es un trazado que ilustra los rendimientos de almacenamiento del calentador de agua del estado de la tecnica y de sistemas segun la invencion;

■ la figura 9 es un trazado que ilustra el tiempo de sobrecalentamiento del sensor solar y la temperatura en el tanque de almacenamiento del calentador de agua del estado de la tecnica y de los sistemas segun la invencion, asf como el tiempo de funcionamiento de la maquina de absorcion de dichos sistemas; y

■ la figura 10 es un trazado que ilustra el balance energetico del calentador de agua del estado de la tecnica y de uno de los sistemas segun la invencion equipado con una maquina de absorcion de 1,5 kW de potencia frigonfica.

Descripcion detallada de la invencion

En la figura 1, un sistema 10 segun un primer modo de realizacion de la invencion incluye un calentador de agua solar 12 y una maquina frigonfica de absorcion 14 destinada, por ejemplo, al calentamiento del agua sanitaria de una vivienda y a la climatizacion de esta.

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El calentador de agua solar 12 incluye:

■ un sensor solar 16, constituido, por ejemplo, por varios termosifones tubulares 18, ilustrados en este caso en corte, inclinados en un angulo 9 con respecto a la horizontal o de manera equivalente en un angulo 9' con respecto a la direccion de la gravedad estando el angulo 9 comprendido, por ejemplo, entre 0 y 30 °.

■ un tanque de almacenamiento 20 que contiene un fluido caloportador, por ejemplo, agua o agua glicolada y en el cual desemboca la parte superior de los termosifones del sensor solar 16; y

■ un intercambiador 22 de produccion de agua caliente sanitaria, sumergido en el fluido caloportador contenido en el tanque de almacenamiento 20 y conectado a un circuito de distribucion de agua caliente sanitaria 24, en concreto, un conducto 26 para encaminar al intercambiador 22 agua fna sanitaria que hay que calentar y un conducto 28 para distribuir el agua caliente sanitaria desde el intercambiador 22. Un mitigador termostatico 30, conectado a los circuitos 26 y 28, puede preverse para regular la temperatura del agua sanitaria distribuida en la vivienda.

En funcionamiento, el agua fna contenida en el tanque de almacenamiento 20 desciende en el sensor solar 16 donde se recalienta por la radiacion solar 32, volviendo a subir el agua caliente a continuacion al tanque de almacenamiento 20. Entonces el agua caliente contenida en el tanque 20 recalienta el agua sanitaria que circula en el intercambiador 22. El funcionamiento de un calentador de agua solar de este tipo es tradicional.

En este primer modo de realizacion, puede ser conveniente cualquier tipo de calentador de agua solar, en concreto, unos calentadores de agua solares que comprenden unos sensores solares al vado, unos sensores "de plano sencillo", unos sensores de doble acristalamiento, unos sensores "de doble capa", unos sensores al vado bifasico de tipo caloducto, etc. Sin embargo, pueden preverse unos sensores solares particulares en funcion de una necesidad de seguridad, como se describira esto a continuacion. Asimismo, el tanque de almacenamiento 20 se representa en este caso en posicion horizontal. Por supuesto, el tanque puede posicionarse verticalmente.

La maquina de absorcion 14 incluye, por su parte:

■ un evaporador 34 que comprende un conducto 36, por ejemplo, en forma de un serpentm o de un tubo con aleta, en el cual circula un fluido refrigerante lfquido a baja presion, como, por ejemplo, amoniaco (NH3) o agua (H2O). El intercambiador esta alojado, por ejemplo, en una carcasa 38 instalada en una habitacion 40 de la vivienda que hay que enfriar, comprendiendo la carcasa unas rejillas 41 y un ventilador pilotable 43 para hacer circular el aire de la habitacion 40 sobre el evaporador 34. El fluido refrigerante que circula en el evaporador 34 extrae calor en la habitacion 40, en concreto, por evaporacion, enfriando en consecuencia la habitacion 40;

■ un absorbedor 42, conectado a la salida del evaporador 34 por un conducto 44 y que recibe de este el fluido refrigerante evaporado. El absorbedor 42 esta conectado, ademas, a un conducto 46 para recibir una solucion concentrada de absorbente, siendo el absorbente, por ejemplo, agua (H2O), bromuro de litio (LiBr) o cloruro de litio (LiCl) y para mezclar esta solucion con el fluido refrigerante. El fluido refrigerante evaporado se absorbe de este modo por dicha solucion y, por lo tanto, se enfna. De este modo, se obtiene una solucion de absorbente enriquecida con fluido refrigerante;

■ un dispositivo de enfriamiento del absorbedor 42, para evacuar el calor latente de absorcion y enfriar la mezcla de absorbente y de fluido refrigerante. Por ejemplo, el dispositivo es un dispositivo de enfriamiento del tipo Kquido/aire que comprende un ventilador pilotable 45, comprendiendo el absorbedor 42, por ejemplo, un serpentm para maximizar la superficie de enfriamiento;

■ una bomba de solucion pilotable 48 conectada a la salida del absorbedor 42 para bombear solucion y para proporcionar una solucion a alta presion;

■ un desorbedor 50, igualmente designado con el termino de "generador" conectado a la salida de la bomba 48 para recibir la solucion bombeada a alta presion. El desorbedor 50, descrito mas en detalle a continuacion, esta en acoplamiento termico con una fuente caliente, en este caso el calentador de agua solar 12, para separar la solucion de absorbente y de fluido refrigerante haciendo desorber el fluido refrigerante por calentamiento y, de este modo, obtener, por una parte, una solucion concentrada de absorbente o de manera equivalente o solucion empobrecida de lfquido refrigerante y, por otra parte, fluido refrigerante en forma gaseosa;

■ un regulador de presion de solucion 52, conectado a la salida del desorbedor 50 para recibir de este la solucion concentrada de absorbente y para bajar la presion de la solucion concentrada. El regulador de presion 52 esta dispuesto por encima del absorbedor 42 y conectado al conducto 46 para proporcionar al absorbedor 42 la solucion que esta mezclada con el fluido refrigerante que proviene del evaporador 34;

■ un condensador 54, conectado a la salida del desorbedor 50, para recibir de este el fluido refrigerante gaseoso y para condensar el fluido refrigerante recibido. La condensacion del fluido refrigerante se obtiene por enfriamiento, por ejemplo, por medio del dispositivo de enfriamiento utilizado para enfriar el absorbedor 42, tomando el condensador ventajosamente la forma de un serpentm dispuesto a la misma altura que el serpentm del absorbedor 42 en frente de las aspas del ventilador pilotable 45; y

■ un regulador de presion de fluido refrigerante 56, conectado a la salida del condensador 54, para recibir el fluido refrigerante lfquido de este y para bajar la presion del fluido refrigerante recibido y conectado a la entrada del evaporador 34 para proporcionar a este el fluido refrigerante lfquido a baja presion.

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La disposicion y el funcionamiento de una maquina de absorcion se conocen bien y no se detallaran mas en detalle a continuacion. Se senalara que puede ser conveniente cualquier tipo de maquina de absorcion mediando la configuracion particular del desorbedor descrita en este momento.

El desorbedor 50 comprende:

■ una primera parte en acoplamiento termico con el calentador de agua solar, en la cual circula la solucion de absorbente y de fluido refrigerante que proviene del absorbedor 42, recalentandose dicha solucion por la energfa solar recibida por el sensor solar del calentador de agua. Esta primera parte esta unicamente en acoplamiento termico con el calentador de agua, siendo los circuitos de circulacion de fluido en la maquina de absorcion distintos de los circuitos de circulacion de fluido en el calentador de agua, con el fin de evitar cualquier mezcla entre los dos tipos de fluido;

■ una segunda parte, conectada a la primera parte y que recibe la solucion calentada para separarla.

En el primer modo de realizacion, la primera parte del desorbedor 50 incluye un conducto estanco 58, cuya una porcion, ventajosamente en forma de un serpentm, esta alojada en el tanque de almacenamiento 20 de manera que se sumerja en el lfquido calentado contenido en este. La entrada y la salida del conducto 58 estan respectivamente conectadas a la salida de la bomba 50 y a la segunda parte del desorbedor 50. Al no incluir el tanque de almacenamiento 20 el agua sanitaria, sino un agua denominada "tecnica" o "muerta", que sirve para acumular las colorias que provienen del sensor solar 16, el conducto 58 es ventajosamente un tubo de pared denominada "de capa sencilla", lo que permite reducir los costes.

La segunda parte del desorbedor 50 es un separador lfquido/vapor, en concreto, una cubeta, o botella, de decantacion 60, alojada, por ejemplo, en la proximidad del tanque de almacenamiento, en concreto, debajo de este, y por encima del regulador de presion 52. La cubeta 60 esta conectada en su parte baja a la salida del conducto 58 y a la entrada del regulador de presion 52 y conectada en su parte alta a la entrada del condensador 54. Siendo el volumen de la cubeta 60 superior al de la solucion calentada, el fluido refrigerante se separa por gravedad de la solucion de absorbente y de fluido refrigerante calentada. La cubeta 60 contiene, por lo tanto, en su parte baja una solucion concentrada de absorbente y en su parte alta fluido refrigerante gaseoso.

De este modo, la totalidad de la solucion a la salida del intercambiador 58 pasa al separador 60 y el separador solo recibe lfquido a presion. La solucion decantada por el separador 60 se distribuye a continuacion unicamente entre el condensador 54 y el absorbedor 42.

De manera ventajosa, el tanque 20, el absorbedor 42, el condensador 54, los reguladores de presion 52, 54, la bomba 58, el ventilador 45, asf como el conjunto de los conductos que conectan estos elementos estan alojados en una carcasa 62, que incluye unas rejillas 64, 66 para permitir una circulacion de aire 68 por medio del ventilador 45. La carcasa 62 se fija, por ejemplo, en el exterior de la vivienda sobre un muro vertical 70 de esta. Unas aberturas se habilitan, por ejemplo, en el muro 70 para conectar el evaporador 34 a los otros elementos de la maquina de absorcion 14.

Se ha descrito un disipador de calor para enfriar el absorbedor y el condensador es de tipo aire/lfquido que incluye un ventilador. Como variante, los disipadores son unos intercambiadores de tipo lfquido/lfquido acoplados a un disipador de tipo lfquido/aire, como, por ejemplo, un dispositivo de aerorrefrigerante ("drycooler") o un ventilo- convector. El disipador a base de ventilador permite, sin embargo, reducir el numero de componentes y evitar la presencia de sistemas auxiliares suplementarios, lo que reduce el coste de fabricacion y de instalacion.

Se ha descrito un modo de realizacion en el cual la primera parte del desorbedor 50 de la maquina de absorcion 14 incluye un conducto alojado en el tanque 20. La constitucion de esta primera parte puede variar, en concreto, en funcion del tipo de sensor solar y del grado de seguridad exigido para evitar la mezcla accidental del agua sanitaria y de los fluidos de la maquina de absorcion.

La ventaja del modo de realizacion que acaba de describirse es, en concreto, que puede utilizar cualquier tipo de sensor solar.

Un segundo modo de realizacion, descrito con relacion a la figura 2, difiere del primer modo de realizacion por que la porcion del conducto 58 alojada en el tanque 20 es un tubo de pared denominada "de doble capa", que refuerza en consecuencia la solidez del tubo, con el fin de preservar la integridad del lfquido caloportador en el tanque 20 en caso de rotura. Gracias a este tipo de proteccion, de este modo, es posible, pero no obligatorio, utilizar un tanque de almacenamiento que contiene directamente el agua sanitaria que hay que calentar, desembocando los conductos de distribucion 26, 28 directamente en el tanque 20. El sensor solar 16 puede, por su parte, adoptar cualquier forma.

Un tercer modo de realizacion, descrito con relacion a las figuras 3a y 3b, difiere del primer modo por que incluye un sensor solar tal como se describe con relacion al segundo modo de realizacion, con la diferencia de la porcion de tubo 78 de este. Mas particularmente, como se ilustra esto dentro de la vista en corte de la figura 4b, la porcion 78 del sensor solar 16 alojada en el tanque 20 esta constituida por un tubo externo coaxial con el tubo 58 del

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desorbedor 50 alojado en el tanque 20. La solucion de absorbente y de fluido refrigerante de la maquina de absorcion 14 circular, por lo tanto, en el tubo 58, mientras que el fluido caloportador del sensor solar 16 circula entre el tubo interno 58 y el tubo externo 78. De este modo, en caso de rotura del tubo 58, la solucion de absorbente y de fluido refrigerante se mezcla con el fluido caloportador del sensor solar, pero no se vierte en el tanque 20. De este modo, es posible, pero no obligatorio, utilizar un tanque de almacenamiento que contiene directamente el agua sanitaria que hay que calentar, desembocando los conductos de distribucion 26, 28 directamente en el tanque 20.

Para aumentar todavfa la seguridad, el tubo 58 es ventajosamente un tubo de pared de doble capa.

En este momento, se va a describir, con relacion a la figura 7, un sistema de control 100 del sistema 10 de produccion de calentamiento y enfriamiento segun la invencion.

El sistema de control incluye:

■ un sensor de temperatura 102 para medir la temperatura exterior, por ejemplo, alojado en la carcasa externa 62 para medir la temperatura a la sombra y al resguardo del viento;

■ un sensor de temperatura 104 alojado en el tanque de almacenamiento 20 para medir la temperatura del lfquido contenido en este;

■ un sensor de temperatura 106 para medir la temperatura de la habitacion 40 enfriada por la maquina de absorcion 14;

■ de manera opcional, un caudalfmetro 108 para medir el volumen de agua sanitaria calentada solicitada por los usuarios de la vivienda, por ejemplo, dispuesto en el conducto 26 de admision de agua fna hacia el tanque de almacenamiento 20;

■ de manera opcional, un programador 108 para permitir que el usuario defina unos rangos horarios de funcionamiento de la maquina de absorcion 14 y, por lo tanto, de climatizacion de la habitacion 40, incluyendo el programador un reloj que indica la hora;

■ una unidad de control 110, por ejemplo, un controlador, conectado a los sensores de temperatura 102, 104, 106 y, llegado el caso, al caudalfmetro 108 y al programador 110 para recibir de estos las mediciones de temperatura, de caudal y los rangos horarios programados y conectado a la bomba pilotable 50 y a los ventiladores pilotables 43, 45 para controlar estos y, por lo tanto, el funcionamiento de la maquina de absorcion 14, en funcion de los datos que la unidad de control recibe.

Mas particularmente, el sistema de control 100 implementa un procedimiento de control de la maquina de absorcion 14 que optimiza la valoracion de la energfa solar recibida por el sensor solar 16 del calentador de agua 12, manteniendo al mismo tiempo la prestacion de la produccion de agua caliente a un nivel constante. La figura 6 ilustra un ejemplo de realizacion de un ciclo de control del procedimiento implementado por el sistema 100.

El ciclo de control comienza por la recepcion, en 120, por la unidad de control 110 de los valores corrientes de las temperaturas, del caudal, del rango horario programado y de la hora suministrados por los elementos 102, 104, 106, 108, 110. De manera ventajosa, la unidad 110 promedia las temperaturas medidas sobre una duracion dada.

En una etapa 122 siguiente, se implementa un test por la unidad 110 en funcion de los datos recibidos, llegado el caso, promediados, para saber si se satisface una condicion predeterminada para la produccion de fno por la maquina de absorcion 14. Por ejemplo, se requiere una produccion de fno si la temperatura exterior media es superior a 25 °C, ventajosamente con una histeresis y si la hora corriente esta en un rango horario programado predeterminado, por ejemplo, el rango 10h-18h.

Si es negativo el resultado del test 122, se implementa un nuevo test por la unidad 110, en 124, para saber si la maquina de absorcion 14 esta en marcha. Si este es el caso, la unidad 110 apaga, en 126, la maquina 14 desactivando la bomba 50 y los ventiladores 44, 45 y el procedimiento vuelve a cerrarse sobre la etapa 120 para un nuevo ciclo de control. Asimismo, si se apaga la maquina 14, el procedimiento vuelve a cerrarse sobre la etapa 120.

Si es positivo el resultado del test 122, es decir, que se requiere una produccion de fno, la unidad 110 implementa un test, en 128, para saber si la produccion de fno por la maquina de absorcion 14 no tiene impacto de manera negativa sobre la produccion de agua caliente sanitaria por el calentador de agua 12, es decir, si existe un superavit de energfa solar captada por el sensor solar 16 que puede valorarse en produccion de fno, evitando, de este modo, el sobrecalentamiento del sensor 16. En concreto, la temperatura en el tanque 20 es representativa de la del sensor solar 16. Permitiendo el funcionamiento de la maquina de absorcion 14 para una temperatura en el tanque 20 superior a una temperatura umbral predeterminada para la cual se considera que el agua sanitaria esta lo suficientemente caliente. Las calonas suplementarias captadas por el sensor 16 se utilizan, por lo tanto, para calentar la solucion de absorbente y de fluido refrigerante en el desorbedor 50 de la maquina 14, lo que permite, por lo tanto, enfriar la habitacion 40, por ejemplo, sin tener un impacto negativo sobre la produccion de agua caliente, pero igualmente evitar de este modo el sobrecalentamiento del sensor 16.

Ventajosamente, el test 128 consiste en comparar la temperatura media en el tanque 20 con una histeresis predeterminada, por ejemplo, una histeresis de 75 °C, -10 °C, +5 °C como se ilustra en la figura 7.

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15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

Si es positivo el resultado del test 128, la unidad 110 testa en 130 si la maquina 14 ya esta en marcha. Si este no es el caso; se pone en marcha, en 132, activando los ventiladores 43, 45 y la bomba 50 y la etapa 132 vuelve a cerrarse sobre la etapa 120 y, si este es el caso, la unidad 110 la deja en marcha, procediendo al cierre del test 130 sobre la etapa 120 para un nuevo ciclo de control.

La aplicacion del sistema segun la invencion a la produccion de agua caliente y a la climatizacion de vivienda esta particularmente bien adaptada a las zonas geograficas que tienen unos periodos del ano particularmente calientes y preferentemente sin helada.

Para ilustrar esto, se considera un calentador de agua solar instalado sobre una vivienda de la isla de Reunion, que comprende unos sensores solares inclinados a 20 ° con respecto a la horizontal y expuestos al norte, que tienen una superficie de sensor solar de 4 m2 y un tanque de almacenamiento de 280 litros y unas necesidades de agua caliente sanitaria de una familia testigo de seis personas que utilizan cada una, 40 litros de agua caliente sanitaria a 45 °C al dfa. El sobrecalentamiento del sensor solar esta definido por una temperatura media del tanque de almacenamiento superior a 110 °C.

La figura 8 ilustra para un calentador de agua solar de este tipo, desprovisto ademas de cualquier medida particular de prevencion del sobrecalentamiento del sensor solar, la tasa de cobertura en porcentaje del calentador de agua solar (histograma de la izquierda), es decir, el porcentaje de tiempo durante el cual el calentador de agua solar es suficiente para producir la totalidad del agua caliente sanitaria de la familia testigo, la tasa de sobrecalentamiento (histograma de la derecha), es decir, el porcentaje de tiempo durante el cual el sensor solar se considera en sobrecalentamiento y la solicitud de climatizacion de la vivienda (curva en negro). De este modo, se observa que la tasa de sobrecalentamiento en periodo de fuerte exposicion al sol es no desdenable, pudiendo incluso alcanzar un 40 % del tiempo y que paralelamente los periodos de sobrecalentamiento corresponden logicamente a los periodos durante los cuales existe una necesidad de climatizacion.

Gracias a la invencion, es posible llevar a cabo sustancialmente a la vez la necesidad de agua caliente sanitaria y la necesidad de climatizacion con la ayuda de solo la energfa solar utilizando solo un unico y mismo sensor solar, esto es, el del calentador de agua.

La figura 9 ilustra los rendimientos medios sobre un ano de almacenamiento del unico calentador de agua solar individual ("CESI") y de un sistema segun la invencion que comprende el calentador de agua solar individual en cooperacion con una maquina de absorcion ("CCESI") de una potencia que va de 0,5 kW a 5 kW por paso de 0,5 kW, controlada segun el procedimiento descrito anteriormente. Como se conoce esto, el rendimiento de almacenamiento es la relacion entre la cantidad de energfa obtenida en el tanque de almacenamiento 20 y, por consiguiente, la cantidad de energfa obtenida para calentar el agua sanitaria y, llegado el caso, para hacer funcionar la maquina de absorcion, y la cantidad de energfa aportada al tanque 20, es decir, la cantidad de energfa aportada por el sensor solar 16.

Como se puede senalar esto, el rendimiento de almacenamiento del calentador de agua solo es igual a 0,46 y, por lo tanto, muy escaso. En cambio, el rendimiento de almacenamiento de un sistema segun la invencion esta comprendido entre 0,6 y 0,74, o sea, una ganancia comprendida entre un 30 % y un 60 % con respecto al calentador de agua solo y optima para una maquina de absorcion de potencia particular, esto es, la maquina de absorcion de potencia 1,5 kW en este caso de aplicacion.

La figura 10 ilustra la temperatura media anual del tanque de almacenamiento, el tiempo de sobrecalentamiento del sensor solar y el tiempo de funcionamiento de la maquina de absorcion para el calentador de agua solar individual solo ("CESI") y los sistemas segun la invencion descritos mas arriba ("CCESI").

Como se puede constatar facilmente esto, el tiempo de sobrecalentamiento del sensor solar en un sistema segun la invencion esta sustancialmente reducido, en un porcentaje comprendido entre un 64 % y un 74 %, sin que esto tengo un impacto sobre la produccion de agua caliente sanitaria, puesto que la temperatura del tanque es sustancialmente igual a 75 °C, es decir, el nivel de temperatura prescrito para cubrir la necesidad de agua caliente sanitaria. Se observa igualmente que el tiempo de funcionamiento de la maquina de absorcion disminuye logicamente con la potencia de esta. Una maquina de 1,5 kW es, sin embargo, suficiente en la medida en la que su tiempo de funcionamiento corresponde a un funcionamiento medio diario de 3,5 h durante un periodo de 6 meses.

La figura 11 ilustra los balances energeticos del calentador de agua solo ("CESI") y de un sistema segun la invencion con una maquina de absorcion de 1,5 kW tal como se describe mas arriba ("CCESI 1,5 kW"). De este modo, se senala que la cantidad de energfa valorada Q4+Q6 por el sistema segun la invencion, igual a 2875 kWh, es sustancialmente superior a la del calentador de agua solo igual a 1604 kWh, o sea, una ganancia de un 79%. Ademas, las perdidas del almacenamiento Qloss_sc, estan igualmente reducidas sustancialmente, siendo las del calentador de agua solo iguales a 1979 kWh y siendo las del sistema segun la invencion iguales a 1034 kWh, o sea, una reduccion de un 45 %. Finalmente, la cantidad de energfa de apoyo Q2 utilizada para satisfacer la necesidad de agua caliente sanitaria durante los escasos periodos de exposicion al sol permanece sin cambios a 40 kWh.

Se ha descrito un sistema de produccion de agua caliente y de enfriamiento, o climatizacion, de una habitacion de una vivienda.

La invencion se aplica, sin embargo, a cualquier tipo de produccion de agua caliente, por ejemplo, agua caliente para 5 un sistema de calentamiento y mas generalmente para el calentamiento de cualquier tipo de lfquido. Asimismo, la invencion se aplica a cualquier tipo de produccion de fno, por ejemplo, la produccion de fno para bodegas, despensas, etc...

Claims

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

REIVINDICACIONES

1. Sistema de calentamiento y enfriamiento por energfa solar, que incluye:

■ un calentador de agua solar (12) que comprende:

o un sensor solar (16); y

o un medio de almacenamiento (20) en acoplamiento termico con el sensor solar (16) para transferir energfa solar captada por el sensor solar (16) a un lfquido presente en el medio de almacenamiento (20);

■ una maquina de absorcion (14) que comprende:

o un evaporador (34) que contiene un fluido refrigerante y adecuado para estar en acoplamiento termico con una primera fuente caliente (40) para enfriar esta;

o un absorbedor (42), en comunicacion con el evaporador (34) para recibir de este fluido refrigerante y para enfriar el fluido refrigerante recibido absorbiendo este en una solucion que contiene un absorbente, de modo que se forme una solucion de absorbente enriquecida con fluido refrigerante;

o un desorbedor (50), adecuado para estar en acoplamiento termico con una segunda fuente caliente (16, 20), estando el desorbedor (50) en comunicacion con el absorbedor (42) para recibir de este solucion de absorbente enriquecida con fluido refrigerante y para separar dicha solucion desorbiendo fluido refrigerante por medio de la segunda fuente caliente y en comunicacion con el absorbedor (42) para proporcionar a este una solucion de absorbente empobrecida con fluido refrigerante; y

o un condensador (54) adecuado para estar en acoplamiento termico con una fuente fna (45), estando el condensador en comunicacion con el desorbedor (50) para recibir de este fluido refrigerante desorbido y para condensar el fluido refrigerante recibido por medio de la fuente fna (50) y en comunicacion con el evaporador (34) para proporcionar a este fluido refrigerante condensado;

comprendiendo el desorbedor (50):

■ un intercambiador (58) en comunicacion con el absorbedor (42) para recibir de este solucion de absorbente enriquecida con fluido refrigerante, estando el intercambiador (58) alojado en el medio de almacenamiento (20), formando dicho medio de almacenamiento (20) la segunda fuente caliente;

caracterizado por que el medio de almacenamiento (20) es un tanque de almacenamiento y que el desorbedor (50) comprende:

■ un separador lfquido/vapor (60) en comunicacion:

o con el intercambiador (58) para recibir de este la solucion de absorbente enriquecida con fluido refrigerante calentada en el intercambiador y para decantar dicha solucion enriquecida entre, por una parte, una solucion de absorbente empobrecida de fluido refrigerante y, por otra parte, fluido refrigerante;

o con el absorbedor (42) para proporcionarle a este solucion de absorbente empobrecida de fluido refrigerante; y

o con el condensador (54) para proporcionarle a este fluido refrigerante.
2. Sistema de calentamiento y enfriamiento por energfa solar segun la reivindicacion 1, caracterizado por que el intercambiador (58) comprende un conducto alojado en el tanque de almacenamiento (20) del calentador de agua (12) y en el que circula solucion de absorbente enriquecida con fluido refrigerante.
3. Sistema de calentamiento y enfriamiento por energfa solar segun la reivindicacion 2, caracterizado por que el calentador de agua (12) incluye unos conductos (74) para la circulacion de fluido entre el sensor solar y el tanque de almacenamiento (20) y unos conductos (22) para la circulacion entre el tanque de almacenamiento (20) y un circuito de distribucion de agua sanitaria (24) y por que dicho conducto (58) del intercambiador esta separado de dichos conductos (22, 74) del calentador de agua.
4. Sistema de calentamiento y enfriamiento por energfa solar segun la reivindicacion 2, caracterizado;

• por que el sensor solar (12) incluye un conducto (74) que forma un circuito cerrado en el que circula un fluido caloportador, estando una porcion (78) del conducto (74) del sensor solar (16) alojada en el tanque de almacenamiento (20),

• por que el conducto (58) del intercambiador alojado en el tanque de almacenamiento (20) esta constituido por un tubo,

• y por que la porcion (78) del conducto (74) del sensor solar (46) alojada en el tanque de almacenamiento (20) esta constituida por un tubo externo coaxial al tubo (58) del intercambiador alojado en el tanque de almacenamiento (20).
5. Sistema de calentamiento y enfriamiento por energfa solar segun una de las reivindicaciones 2 a 4, caracterizado por que el conducto (58) del intercambiador es un tubo de pared de doble capa.
6. Sistema de calentamiento y enfriamiento por ene^a solar segun una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que la maquina de absorcion (14) comprende una bomba (50) en comunicacion con el absorbedor (42) y el intercambiador (58) para bombear solucion de absorbente enriquecida con fluido refrigerante en el absorbedor y proporcionar la solucion bombeada al intercambiador (58).

5
7. Sistema de calentamiento y enfriamiento por energfa solar segun una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que el separador lfquido/vapor (60) comprende una entrada conectada al absorbedor (42) y dos salidas, conectadas respectivamente al condensador (54) y al intercambiador (58), estando la salida conectada al condensador (54) dispuesta por encima de la salida conectada al intercambiador (58).

10
8. Sistema de calentamiento y enfriamiento por energfa solar segun una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que la maquina de absorcion (14) comprende un regulador de presion (52) entre el separador lfquido/vapor (60) y el absorbedor (42).

15 9. Sistema de calentamiento y enfriamiento por energfa solar segun una cualquiera de las reivindicaciones

anteriores, caracterizado por que comprende unos medios de control (100) de la maquina de absorcion (14) que incluyen un sensor de temperatura (104) para medir la temperatura en el interior del tanque de almacenamiento (20) y una unidad de control (110) de la maquina de absorcion (14), conectadas a dicho sensor (104), activando la unidad de control (110) la maquina de absorcion unicamente si la temperatura en el tanque de almacenamiento (20) es

20 superior a una temperatura umbral predeterminada, en particular, una temperatura de 75 °C.