ES2671973B1 - Sistema y método de climatización hibrida geotérmica - Google Patents

Sistema y método de climatización hibrida geotérmica Download PDF

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Description

DESCRIPCIÓN
Sistema y método de climatización híbrida geotérmica
SECTOR DE LA TÉCNICA
La presente invención se refiere a un sistema y un método de hibridación geotérmica de baja entalpía para equipos de climatización compactos por expansión directa.
ESTADO DE LA TÉCNICA
La fiabilidad de los equipos electrónicos depende fuertemente de las temperaturas a las que se mantienen. En un ordenador o un equipo de sobremesa no es difícil disponer medios de refrigeración sencillos para reducir su temperatura. Por ejemplo un ventilador.
Cuando se agrupan equipos electrónicos, como en una sala de servidores, es conveniente instalar equipos de refrigeración. Otra solución es la conocida de WO2014039212 o US2011247348, donde se disponen los equipos electrónicos bajo tierra para aprovechar la temperatura de la misma o de las aguas freáticas. Este sistema sin embargo o no produce el enfriamiento necesario, o agota rápidamente el potencial geotérmico.
Otros sistemas ofrecen el uso de geotermia para mejorar el coeficiente de operatividad (COP). En estos sistemas se utiliza fluido refrigerado por geotermia dentro del ciclo termodinámico del fluido refrigerante.
En instalaciones remotas, como puede ser una antena de telefonía, un repetidor de televisión, etc. fuera de un núcleo urbano, la potencia necesaria para la refrigeración es un condicionante técnico relevante, que incluso fuerza a definir condiciones de temperatura elevadas, produciéndose un mayor número de averías.
El solicitante no conoce una solución similar a la invención.
BREVE EXPLICACIÓN DE LA INVENCIÓN
La invención consiste en un sistema y un método de climatización hibrida geotérmica según las reivindicaciones.
El objeto es obtener un sistema de refrigeración pasivo de muy bajo consumo con aprovechamiento geotérmico (de circuito cerrado) de baja entalpía, y temperaturas de consigna máximas ajustables para usos industriales. Todo ello, bajo un sistema de "lógica del sistema” que minimice el material y simplifique la instalación, por medio de un sistema comparativo entálpico geotérmico. Como idea básica del sistema, el cambio de tipo de refrigeración se basa en tiempo, en vez de en la temperatura del pozo, del fluido geotérmico o de la temperatura de la instalación. De esta forma se optimiza la recuperación de la temperatura del pozo y los fluidos (reseteo) y no se requiere instalar sensores en el pozo, con la complicación que implica de mantenimiento.
Es un sistema de apoyo y mejora eficiente del consumo en aquello casos donde los requisitos técnicos y las condiciones ambientales no permitan que se llegue a eliminar el climatizador activo (aire acondicionado) por un sistema simple basado en el freecooling.
Supone unos ahorros energéticos considerables, y siempre superiores al 85% pudiendo alcanzar valores superiores al 95% en un muy alto porcentaje de los casos. Es posible complementar la instalación con unas placas solares para incluso eliminar la necesidad de realizar conexiones a la red eléctrica, lo cual es muy favorable en instalaciones remotas.
En el texto de esta memoria, el uso del singular al nombrar los elementos ("un serpentín”, "un intercambiador”, etc.) no excluye la posibilidad de que se dispongan varios elementos similares en serie o paralelo. Es decir, el serpentín puede corresponder a varios serpentines en serie o paralelo, etc.
El sistema de la invención, es un sistema de climatización híbrida geotérmica que comprende:
Un intercambiador geotérmico con uno o más pozos conectados a un serpentín o similar por los que circula agua o salmuera. El circuito podrá ser abierto o cerrado con las ventajas conocidas de cada tipo.
Un intercambiador principal de refrigeración (condensador, célula Peltier,...) de un fluido refrigerante conectado a un circuito de fluido refrigerante.
Un enfriador de la instalación a climatizar, que posee un circuito de circulación de aire en el que están dispuestos el serpentín o similar y el circuito de fluido refrigerante para realizar el enfriamiento del aire.
En funcionamiento estándar, el enfriador posee un primer modo de funcionamiento en el que el fluido frío del enfriador es el fluido refrigerante, y un segundo modo de funcionamiento en el que el fluido frío del enfriador corresponde al fluido proveniente del intercambiador geotérmico. Es posible utilizar los dos fluidos a la vez, para lo que es conveniente que el serpentín esté dispuesto aguas arriba del circuito de fluido refrigerante.
La invención también se refiere al método de climatización híbrida geotérmica de una instalación durante un tiempo de demanda (tds), que se define como aquel en el que la climatización con aire exterior (freecooling) no es suficiente para mantener la temperatura de instalación por debajo de una temperatura de operación (To) prefijada. Para ello se utiliza el sistema anterior mediante las etapas de:
a- Activar el enfriador utilizando como fluido frío el fluido proveniente del intercambiador geotérmico durante un tiempo de consigna inicial (tci) para alcanzar la temperatura de operación precalculado en función de las variables geotérmicas, climatológicas y de equipamiento.
b- Mantener la utilización del intercambiador geotérmico si el incremento de temperatura estimado (a partir de un gradiente de temperatura calculado) durante el tiempo restante hasta el final del tiempo de demanda (tds) es inferior a la temperatura de operación (To) más un margen predefinido.
c- En caso contrario, detener la circulación del fluido proveniente del intercambiador geotérmico y activar la circulación del aire ambiental (freecoling) o de un fluido refrigerante proveniente del intercambiador principal durante un tiempo de reseteo (tr) predefinido
d- repetir las etapas a-c, con un tiempo de consigna permanente (tcp) en vez del tiempo de consigna inicial (tci), hasta alcanzar el tiempo de demanda (tds).
Si la temperatura exterior es lo suficientemente baja, la etapa c se puede realizar mediante freecooling.
Igualmente, si la instalación es sensible o la temperatura de operación (To) está ya definida en el límite, la etapa b se puede realizar con un margen predefinido nulo.
DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS
Para una mejor comprensión de la invención, se incluyen las siguientes figuras.
Figura 1: Esquema de un ejemplo de realización de la invención.
Figura 2: Ejemplos de gráfica de temperatura de la instalación y la activación del primer modo de funcionamiento o enfriamiento a lo largo de un día.
MODOS DE REALIZACIÓN DE LA INVENCIÓN
A continuación se pasa a describir de manera breve un modo de realización de la invención, como ejemplo ilustrativo y no limitativo de ésta.
La invención mostrada en las figuras se compone de los siguientes elementos:
- Un intercambiador geotérmico (1) de circuito abierto o cerrado. El número de pozos y la profundidad dependerá de las condiciones geológicas y de las necesidades del diseño. Por el intercambiador geotérmico (1) circulará el agua subterránea o una salmuera o solución salina (brine) que se enfriará en los pozos para su retorno a la instalación.
- Un intercambiador principal (3), que enfría un fluido refrigerante en un condensador u otro sistema similar conocido en la técnica (célula Peltier,...) diferente del método geotérmico (generalmente no renovable).
- Un enfriador (5), formado por un equipo de climatización tradicional, al que se le aplican dos modos de funcionamiento:
o Un primer modo en el que el fluido frío del enfriador (5) es el fluido refrigerante del intercambiador principal (3) que circula por un circuito de fluido refrigerante (4) dispuesto dentro del circuito de circulación de aire del enfriador (5).
o Un segundo modo en el que el fluido frío del enfriador (5) corresponde al fluido proveniente del intercambiador geotérmico (1). Este fluido frío circula por un serpentín (2) u otro dispositivo similar dentro del circuito de circulación de aire del enfriador (5). Este serpentín (2) estará dispuesto en paralelo al circuito de fluido refrigerante (4), de forma que se podrá activar uno u otro.
- Un controlador que realiza la puesta en marcha y detención del sistema de climatización, y la activación de los diferentes circuitos de fluidos. Preferiblemente con capacidad de aprendizaje y optimización en tiempo real, para establecer los tiempos de consigna que optimicen el consumo.
Estos elementos se complementarán, como es conocido y habitual, con bombas, válvulas de cierre o derivación, purgas, manómetros, etc. Igualmente, el fluido de cada intercambiador podrá pasar directamente del intercambiador (1,3) al enfriador (5) o instalarse un segundo circuito intermedio entre ambos. Igualmente, si el fluido utilizado en ambos intercambiadores (1,3) es el mismo, el serpentín (2) y el circuito de fluido refrigerante (4) pueden ser el mismo elemento con válvulas de derivación para seleccionar el origen del refrigerante.
Preferiblemente el serpentín (2) estará aguas arriba del circuito de fluido refrigerante (4), para disponer de la opción de realizar un enfriamiento previo si se necesita realizar un enfriamiento de urgencia en el que se activen tanto el serpentín (2) como el circuito de fluido refrigerante (4).
El sistema definido optimiza el rendimiento de las máquinas de climatización existentes. En primera instancia aplicando lógicas de funcionamiento que minimizan el arranque del compresor de aire acondicionado. Incluso, si las condiciones climatológicas o geotérmicas son buenas, puede lograr que sólo arranque en caso de emergencia como averías, olas de calor, etc. Del mismo modo, el intercambiador geotérmico (1) actúa como un sistema de emergencia en caso de que los climatizadores activos industriales fallen puesto que a diferencia de una climatización por ventilación directa del aire exterior (freecooling), que depende de las temperaturas exteriores, el intercambiador geotérmico (1) se nutre de valores de temperaturas del subsuelo constantes durante todo el año.
Los parámetros de diseño del sistema, en cuanto a tiempos de operación de los intercambiadores (1,3) son los siguientes:
- Variables geotérmicas: gradiente de temperatura, nivel freático,...
- Variables climatológicas.
- Temperatura de operación (To) esperada.
- Equipamiento: serpentines, potencia de bombeo, potencia del intercambiador principal (3), potencia eléctrica instalada, etc.
- Equipamiento de la instalación y calor emitido por éste.
- Profundidad y número de pozos, los cuales también pueden ser definidos a partir de los demás datos.
A partir de estos datos, se definen los tiempos de funcionamiento del enfriador en cada modo:
Tiempo de consigna inicial (tci), que corresponde al tiempo para alcanzar la temperatura de operación (To) mediante únicamente el intercambiador geotérmico (1) por primera vez en el día.
Tiempo de consigna permanente (tcp), que corresponde al tiempo necesario para volver a alcanzar la temperatura de operación (To) en las ocasiones o instancias sucesivas (una vez superado el tci), igualmente con el intercambiador geotérmico (1).
Tiempo de reseteo (tr), que corresponde al tiempo durante el cual se entra en el primer modo de funcionamiento del enfriador.
Estos valores permiten definir el número de ciclos que se aplicarán durante el tiempo de demanda (tds), u horario en el cual el freecooling es necesario pero no está disponible. Por ejemplo, en verano y en España el tiempo de demanda (tds) será de aproximadamente 12h.
En condiciones ideales, una vez alcanzada la temperatura de operación (To) no es necesario activar el primer modo del enfriador (5). Sin embargo, esto puede implicar un gran número de pozos y una gran profundidad para no agotar el potencial geotérmico. Por lo tanto, la temperatura de operación (To) y el número de ciclos (paso por ambos modos en el enfriador) se definirán para producir un ahorro energético elevado pero con una instalación menos costosa. Si se desea, se podrá incluir la tarifa energética como factor, haciendo mayores reseteos durante las horas valle.
El siguiente cuadro muestra, a modo de ejemplo, el consumo básico en un tiempo de demanda (tds) de 12h sin geotermia (cero ciclos) o aplicando geotermia con determinado número de ciclos.
Figure imgf000007_0001
Se puede apreciar, que la diferencia en el ahorro de un sistema diseñado a 1 ciclo (exigente en cuanto a inversión) de otro de 2 ciclos (menos exigente) es bastante reducido, siendo aproximadamente lineal la reducción de ahorro.
Durante el reseteo la temperatura de los pozos se recupera, siguiendo una respuesta similar a la ley de enfriamiento de Newton. Esta misma recuperación se produce en cualquier momento en que se pueda aplicar el freecooling, por ejemplo por la noche. En concreto, el reseteo nocturno permite que la temperatura diaria de partida del pozo sea muy estable.
Durante el día, como la temperatura exterior aumenta, puede ser necesario activar el sistema de climatización, iniciándose el ciclo diario con el segundo modo del enfriador (5) hasta alcanzar la temperatura de operación (To). Si se supera el tiempo de consigna inicial (tci) el enfriador pasa al primer modo de funcionamiento, durante un tiempo de reseteo (tr), como pueden ser diez minutos. A partir de ese momento, si es necesario se realiza la activación del segundo modo de funcionamiento en periodos iguales al tiempo de consigna permanente (tcp) ya definido.
De forma esquemática, el ciclo diario será como sigue:
1. Unas horas tras el amanecer el freecooling deja de ser operativo y los pozos se han reseteado completamente.
2. Arranca el segundo modo de enfriamiento o geocooling hasta alcanzar el tiempo de consigna inicial (tci).
3. Una vez alcanzado el tiempo de consigna inicial (tci), el sistema de gestión (controladora) realiza un cálculo inmediato para analizar el tiempo restante hasta alcanzar el tiempo de demanda (tds). Estimará si en el tiempo restante, y para el gradiente de temperatura en la instalación, se superará la temperatura de operación (To). Si no se va a superar, se evita el ciclo aumentando el tiempo de funcionamiento del segundo modo de enfriamiento hasta el tiempo de demanda (tds). Así se evita la utilización del primer modo de enfriamiento, pues implicaría un alto consumo eléctrico. Si la temperatura estimada superará la temperatura de operación (To) en un porcentaje o margen predefinido (por ejemplo 5% en °C), se podrá igualmente mantener el segundo modo de enfriamiento.
4. Si la temperatura estimada es superior a la temperatura de operación (To), incluso con el margen opcional, se generan dos eventos:
4.1. Se detienen las bombas del pozo, interrumpiéndose el circuito secundario e iniciándose el reseteo. El tiempo de reseteo (tr) idóneo se puede calcular o estimar experimentalmente.
4.2. Se activa el primer modo de enfriamiento del enfriador (5). Si la temperatura exterior es suficientemente baja para que permita, durante el reducido tiempo de reseteo, mantener la temperatura de la instalación por debajo de la temperatura de operación (To) (con o sin el margen), se utilizará preferentemente el freecoling. Hay que reseñar que el hecho de que la temperatura exterior no permita el freecooling implica que el gradiente será mayor que cero, pero no impide que un valor positivo pero pequeño pueda ser aceptable durante el tiempo de reseteo (tr). Si no basta con el freecooling, se activará el intercambiador principal (3) y el circuito de fluido refrigerante (4).
5. Tras el tiempo de reseteo (tr) se inicia de nuevo el segundo modo de enfriamiento.
6. Alcanzado tiempo de consigna permanente (tcp), el sistema vuelve al punto (3), realizando de nuevo la comparación y repitiendo los puntos (3), (4) y (5) hasta alcanzar el tiempo tds.
En el ejemplo de la figura 2, se han representado tres ciclos, de forma que en el último el segundo modo de enfriamiento se ha mantenido activo un tiempo algo superior al tiempo de consigna permanente, permitiendo que la temperatura de la instalación supere ligeramente la temperatura de operación (To) antes de activarse el freecooling.

Claims (1)

  1. REIVINDICACIONES
    1- Sistema de climatización híbrida geotérmica caracterizado por que comprende:
    un intercambiador geotérmico (1) con uno o más pozos conectados a un serpentín (2) o similar por los que circula agua o salmuera;
    un intercambiador principal (3) de refrigeración de un fluido refrigerante conectado a un circuito de fluido refrigerante (4);
    un enfriador (5) de la instalación, que posee un circuito de circulación de aire en el que están dispuestos el serpentín (2) y el circuito de fluido refrigerante (4) para realizar el enfriamiento del aire.
    2- Sistema, según la reivindicación 1, donde el enfriador (5) posee un primer modo de funcionamiento en el que el fluido frío del enfriador (5) es el fluido refrigerante, y un segundo modo de funcionamiento en el que el fluido frío del enfriador (5) corresponde al fluido proveniente del intercambiador geotérmico (1).
    3- Sistema, según la reivindicación 1, donde el serpentín (2) está dispuesto dentro del circuito de circulación de aire aguas arriba de la parte del circuito de fluido refrigerante (4) contenida en el enfriador (5).
    4- Método de climatización híbrida geotérmica de una instalación durante un tiempo de demanda (tds) en el que la climatización con aire exterior (freecooling) no es suficiente para mantener la temperatura de instalación por debajo de una temperatura de operación (To) prefijada, utilizando el sistema de la reivindicación 1, caracterizado por que comprende las etapas de:
    a- activar un enfriador (5) utilizando como fluido frío el fluido proveniente de un circuito de refrigeración con un intercambiador geotérmico (1) durante un tiempo de consigna inicial (tci) para alcanzar la temperatura de operación, precalculado en función de las variables geotérmicas, climatológicas y del equipamiento;
    b- si la temperatura alcanzada más el incremento de temperatura estimado durante el tiempo restante hasta el tiempo de demanda (tds), a partir del gradiente de temperatura, es inferior a la temperatura de operación (To) más un margen predefinido, mantener la utilización del intercambiador geotérmico (1);
    c- en caso contrario, detener la circulación del fluido proveniente del intercambiador geotérmico (1) y activar la circulación del aire ambiental (freecooling) o de un fluido refrigerante proveniente de un intercambiador principal (3) durante un tiempo de reseteo (tr) predefinido;
    d- repetir las etapas a-c, con un tiempo de consigna permanente (tcp) para alcanzar de nuevo la temperatura de operación precalculado en función de las variables geotérmicas, climatológicas y del equipamiento en vez del tiempo de consigna inicial (tci) de la etapa a, hasta alcanzar el tiempo de demanda (tds).
    5- Método, según la reivindicación 4, cuya etapa c se realiza mediante freecooling.
    6- Método, según la reivindicación 4, en cuya etapa b el margen predefinido es nulo.
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