ES2849225A1

ES2849225A1 - Unidad de acondicionamiento de aire con funciones de ventilacion y almacenamiento de energia termica

Info

Publication number: ES2849225A1
Application number: ES202030128A
Authority: ES
Inventors: Moral Francisco Jesús Lizana; Borja Torrejón Manuel De; Ramírez Ricardo Chacartegui; Padura Angela Barrios
Original assignee: Universidad de Sevilla
Current assignee: Universidad de Sevilla
Priority date: 2020-02-14
Filing date: 2020-02-14
Publication date: 2021-08-16

Abstract

Una unidad de acondicionamiento de aire, con funciones de ventilación y almacenamiento de energía térmica, que hace uso de aire para acondicionar y un fluido de intercambio de calor (105) conectado a al menos una fuente de energía térmica externa (121) mediante un circuito de transferencia de calor (111), y que comprende una carcasa aislada (101), con al menos una entrada (102) y al menos una salida(115) para abrirse o cerrarse herméticamente, al menos un módulo de almacenamiento de energía (103) térmica, para almacenar y suministrar energía térmica, usando al menos un material de almacenamiento de energía (104), y destinado a conectarse con el circuito de transferencia de calor (111); al menos un ventilador (106) para forzar un flujo de aire y al menos un intercambiador de calor directo (107) conectado al circuito de transferencia de calor (111), permitiendo una respuesta inteligente a la demanda.

Description

DESCRIPCIÓN

UNIDAD DE ACONDICIONAMIENTO DE AIRE CON FUNCIONES DE VENTILACIÓN

Y ALMACENAMIENTO DE ENERGÍA TÉRMICA

OBJETO DE LA INVENCIÓN

La invención se encuadra dentro del marco técnico de unidades de acondicionamiento de aire con capacidad de ventilación y almacenamiento de energía. En particular, la presente invención se refiere a una unidad de acondicionamiento de aire que permite la calefacción y/o refrigeración pasiva o activa, la ventilación y el almacenamiento de energía térmica.

La unidad de la invención está destinada a vincularse a cualquier fuente de energía térmica (como energías renovables, bombas de calor o calderas). Además, puede ser utilizada en edificios, instalaciones industriales u otros equipamientos.

Un objeto de la presente invención, por tanto, es proveer una unidad de acondicionamiento de aire compacta, de fácil instalación en procesos de obra nueva y rehabilitación, que permite la ventilación, el acondicionamiento pasivo y activo, y el almacenamiento de energía térmica durante periodos de consumo más favorables, para conseguir así flexibilidad energética en la calefacción y refrigeración.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

La calefacción y la refrigeración son el sector de mayor consumo de energía del mundo. Además, alrededor del 75% del suministro de energía primaria para calefacción y refrigeración se basa en combustibles fósiles. Uno de los mayores desafíos para la reducción de emisiones a largo plazo es la descarbonización del sector de calefacción y refrigeración debido a su gran escala, variación estacional y naturaleza distribuida.

La calefacción, la refrigeración y el sistema eléctrico pueden apoyarse mutuamente en el esfuerzo de descarbonizar. Es esencial reconocer los vínculos entre ellos y explotar las sinergias. Parte del desafío energético consiste en descarbonizar la electricidad suministrada desde las redes nacionales, y luego la electrificación de la calefacción y la refrigeración, reemplazando la mayoría de las calderas de gasoil y gas que se usan para calentar edificios en la actualidad por tecnologías como bombas de calor que funcionan con electricidad. Sin embargo, se espera que la electrificación del calor sea una tarea difícil. Podría causar un aumento significativo de la demanda máxima de electricidad, lo que podría tener consecuencias adversas en el sistema eléctrico, en particular en las redes de distribución de bajo voltaje que suministran energía desde las subestaciones hacia las calles residenciales.

El almacenamiento de energía térmica ofrece una gran cantidad de beneficios para el suministro de calefacción y refrigeración a través de la mejora de la eficiencia energética de los sistemas, mejorando su rendimiento de operación, aumentando la contribución de las fuentes de energía renovables, y permitiendo la posibilidad de flexibilidad energética mediante la gestión inteligente de la demanda o la respuesta inteligente a la demanda.

El almacenamiento de energía térmica puede basarse en un almacenamiento de energía sensible, latente o termoquímico:

El almacenamiento de calor sensible se basa en el aumento o disminución de temperatura de un material. Los compuestos de almacenamiento sensibles generalmente se clasifican en líquidos (como agua o aceite) y sólidos (como rocas, hormigón, ladrillos, arena o grava). La capacidad media de almacenamiento de energía térmica de la mayoría de los materiales empleados es de aproximadamente 100 MJ/m3, siendo el agua el mejor material disponible, con una capacidad de almacenamiento de 250 MJ/m3 para un gradiente de temperatura de 60oC.

El almacenamiento de calor latente se basa en el calor absorbido o liberado cuando un material experimenta un cambio de fase de un estado físico a otro. Los materiales de cambio de fase se clasifican en orgánicos (parafinas, ácidos grasos, ésteres, alcoholes de azúcar, polietilenglicoles y otros), compuestos inorgánicos (hidratos de sal y metales) y mezclas eutécticas (mezclas de compuestos inorgánicos y/o orgánicos). En comparación con el almacenamiento de calor sensible, los materiales de cambio de fase pueden almacenar una mayor cantidad de calor en un rango de temperatura mucho más corto, alrededor de la temperatura de cambio de fase. La capacidad de almacenamiento de calor latente típica de la mayoría de los materiales utilizables para este fin está en el rango de 300-500 MJ/m3. En comparación con el almacenamiento de calor sensible, los materiales de cambio de fase pueden almacenar una mayor cantidad de calor en un rango de temperatura mucho más corto.

El almacenamiento de energía termoquímico se basa en el uso de una fuente de energía para inducir una reacción química reversible y/o un proceso de sorción. Los materiales de almacenamiento termoquímicos se pueden clasificar en materiales de adsorción física, materiales de absorción líquida, y reacciones químicas a través de materiales de reacción química solidos o materiales compuestos.

En la actualidad, se han estudiado y desarrollado muchas aplicaciones de energía baja en carbono para calefacción y refrigeración basadas en sistemas de almacenamiento de calor sensible y latente. Sin embargo, la mayoría de dichas aplicaciones presentan diferentes problemas en su uso práctico asociados a ratios de transferencia de calor bajos e inadecuados, niveles aceptables de eficiencia termodinámica y baja capacidad de almacenamiento de energía térmica. Junto a ello, los esquemas de ensamblaje existentes se basan en múltiples dispositivos para el almacenamiento, la ventilación y la entrega de energía térmica, lo cual implica mayores costes de inversión y de instalación, mayores pérdidas de calor (principalmente en el almacenamiento y el intercambiador de calor entre componentes) y grandes requisitos de espacio. Además, la transferencia de calor en el almacenamiento de calor latente está limitada debido a las pobres propiedades térmicas del material, por lo que debe mejorarse a través de técnicas avanzadas que favorezcan la transferencia de calor.

DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN

La presente invención se refiere a una unidad de acondicionamiento de aire modular, compacta y de fácil instalación, para ser usada en edificios, instalaciones industriales u otros equipamientos, y que permite almacenar energía, además de proporcionar ventilación, calefacción y refrigeración. Para ello, la unidad de acondicionamiento de aire de la invención integra capacidad de almacenamiento térmico de alta densidad, como guía y soporte, frente a dos flujos de intercambio de calor, siendo estos aire para acondicionar y un fluido de intercambio de calor destinado a conectarse con una fuente de energía térmica externa, mediante al menos un circuito de transferencia de calor, pudiendo este actuar como receptor de un fluido, como evaporador y/o como condensador. La fuente de energía térmica puede comprender energías renovables, bombas de calor o calderas.

La unidad de acondicionamiento de aire de la invención comprende además una carcasa, que se conecta con la fuente de energía térmica por medio del circuito de transferencia de calor y está aislada, con el fin de reducir la perdida de calor durante los periodos de almacenamiento de energía térmica.

La carcasa comprende a su vez al menos una entrada de aire y al menos una salida de aire, de modo que el flujo de aire se introduce por la entrada de aire, pasa a través de la unidad de acondicionamiento de aire y es evacuado por la salida de aire. La entrada de aire estará preferiblemente conectada a un ambiente interior para la recirculación y acondicionamiento del ambiente interno. Más preferiblemente, la carcasa comprende al menos dos entradas de aire, una primera entrada de aire conectada al ambiente interior, y una segunda entrada de aire conectada al ambiente exterior, de modo que además de permitir la recirculación y acondicionamiento de aire interno, se posibilita la entrada de aire externo al ambiente interior para ventilación y/o enfriamiento gratuito (free-cooling)

Además, la carcasa aislada puede comprender en las entradas y/o salidas de aire, compuertas configuradas para abrirse o cerrarse de forma hermética o aislada. Así, se permite incrementar la capacidad de almacenamiento de energía, con una envolvente totalmente aislada, reduciendo las pérdidas de energía.

Por otro lado, la unidad de acondicionamiento de aire de la invención también comprende al menos un módulo de almacenamiento de energía térmica. Dicho módulo de almacenamiento está alojado en el interior de la carcasa y permite almacenar energía térmica, haciendo uso de un material de almacenamiento de energía que se pondrá en contacto térmico con el fluido de intercambio de calor, y suministrar la energía térmica almacenada en dicho material de almacenamiento de energía, mediante un contacto térmico entre el material de almacenamiento de energía y el aire, actuando así el módulo de almacenamiento de energía como un intercambiador de calor con capacidad de almacenamiento térmico.

El material de almacenamiento de energía está en contacto con un fluido de intercambio de calor, recibiendo y almacenando energía suministrada desde una fuente energética externa, y entregándola al aire para acondicionarlo. Preferentemente, el material de almacenamiento de energía se basará en calor sensible y latente, a través de materiales de cambio de fase, es decir, almacena energía o bien variando su temperatura al absorber o emitir energía térmica, o bien cambiando de fase a una temperatura sustancialmente constante. Esto permite una capacidad de almacenamiento de energía térmica mayor que con solo almacenamiento en calor sensible y permite realizar el intercambio de calor a temperatura constante. El material de almacenamiento también podrá basarse exclusivamente en calor sensible, mediante la variación de temperatura del material.

Además, la unidad de acondicionamiento de aire puede comprender más de un módulo de almacenamiento de energía térmica, los cuales pueden estar conectados en serie, en paralelo o en una combinación de ambas configuraciones, y pueden montarse en vertical, horizontal o inclinado.

Además, en caso de que la unidad de acondicionamiento de aire comprenda más de un módulo de almacenamiento de energía térmica, los materiales de almacenamiento de energía de dichos módulos pueden ser iguales o distintos. En particular, pueden ser sensibles o de cambio de fase o una combinación de ambos, y también pueden tener distintas propiedades térmicas como, por ejemplo, diferente temperatura de fusión o de cambio de fase.

El módulo de almacenamiento de energía térmica puede comprender un armazón y un serpentín, de modo que el armazón puede alojar el material de almacenamiento de energía y el serpentín, mientras que el propio serpentín puede alojar el fluido de intercambio de calor con una fuente externa, permitiendo así que, a través de sus paredes, se produzca el intercambio de calor entre el fluido de intercambio y el material de almacenamiento de energía. Asimismo, a través de las paredes del armazón puede producirse el intercambio de calor entre dicho material de almacenamiento de energía y el aire que circula por el interior de la carcasa.

Adicionalmente, el serpentín en contacto con el material de almacenamiento de energía térmica puede comprender un conjunto de aletas, para facilitar la transferencia de calor a través de las paredes del serpentín, aumentando así el ratio de transferencia de calor.

De igual manera, la superficie del armazón que contiene el material de almacenamiento térmico, la cual está en contacto con el material de almacenamiento y con el aire interior de la carcasa, puede ser plana, rugosa, irregular o con aletas, con el fin de modificar el flujo y superficie de contacto de aire en contacto con el módulo de almacenamiento y aumentar el ratio de transferencia de calor.

Además, la unidad de acondicionamiento de aire comprende también al menos un ventilador, situado en el interior de la carcasa, para generar una corriente de aire dirigida hacia el interior de la carcasa, aumentando así la presión del aire y el ratio de transferencia de calor al forzar que se produzca transferencia de calor por convección forzada en el interior de la carcasa aislada.

La unidad de acondicionamiento de aire también puede comprender al menos un intercambiador de calor directo, preferiblemente líquido-aire, el cual está conectado al circuito de transferencia de calor, de modo que permite la transferencia de calor directa entre el fluido de intercambio y el aire que circula por el interior de la carcasa. La inclusión del intercambiador de calor directo permite el acondicionamiento del aire cuando el material de almacenamiento de energía no tiene energía térmica almacenada en su interior o cuando no tiene capacidad suficiente para acondicionar el flujo de aire.

Además, la unidad de acondicionamiento de aire puede comprender al menos un plenum, para homogeneizar las condiciones ambientales del aire en el interior de la carcasa y al menos un filtro de aire, definido en el interior de la carcasa aislada.

También, la unidad de acondicionamiento de aire puede comprender una bandeja de condensación, situada bajo de, al menos, un módulo de almacenamiento de energía y/o el intercambiador de calor, para recoger líquido producido por la condensación de agua del aire durante el intercambio de calor, así como un circuito de drenaje, para evacuar el líquido recogido por dicha bandeja de condensación.

Asimismo, la unidad de acondicionamiento de aire puede comprender al menos una cabina de nucleación que permite favorecer la cristalización del material de almacenamiento de energía, en el caso de utilizarse materiales de cambio de fase con subenfriamiento estable, es decir, materiales que permanecen en estado líquido por debajo de su punto de fusión. El proceso de cristalización es exotérmico, por lo que, al propiciar la formación de cristales, la cabina de nucleación permite la liberación de energía térmica procedente del proceso de cristalización. Preferiblemente, en aplicaciones de calor, se usan sales hidratadas como material de almacenamiento de energía, de modo que liberan calor al cristalizar.

La unidad de acondicionamiento de aire comprende un módulo de control que comprende un procesador, al menos un sensor, para detectar si el material de almacenamiento de energía está cargado, al menos un actuador conectado al ventilador y a las compuertas de la al menos una entrada y la al menos una salida, para controlar el caudal de aire, y a un conjunto de válvulas, para controlar el caudal de fluido de intercambio que se introduce en la carcasa. El módulo de control se encarga de controlar el caudal de fluido de intercambio y/o aire y de gestionar el modo de funcionamiento, que puede ser uno de los que se explican a continuación o varios de forma simultánea.

La unidad de acondicionamiento de aire puede funcionar en modo de almacenamiento de energía térmica mediante ventilación, en el cual el procesador activa el ventilador, abre la entrada de aire, de modo que la energía térmica suministrada por el aire del ambiente exterior se almacena en el módulo de almacenamiento de energía térmica.

También se puede configurar el uso del modo de almacenamiento de energía térmica mediante el fluido de intercambio de calor conectado a una fuente térmica externa, en el cual el módulo de almacenamiento de energía térmica recibe la energía térmica a almacenar de la fuente de energía térmica externa a la que está conectada por medio del circuito de transferencia de calor, al producirse transferencia de calor entre el fluido de intercambio y el material de almacenamiento de energía. Así, el procesador permite, a través del conjunto de válvulas, la entrada de fluido de intercambio en el interior de los módulos de almacenamiento de energía.

Otro modo de funcionamiento en el que puede funcionar la unidad de acondicionamiento de aire es la descarga de energía térmica, en el cual se induce mediante el ventilador una corriente de aire que pasa a través del módulo de almacenamiento de energía térmica, produciéndose un intercambio de energía entre el material de almacenamiento de energía y la corriente de aire. Así, la energía térmica almacenada en el material de almacenamiento de energía se libera y se usa para acondicionar la corriente de aire. Para ello, el procesador activa el ventilador, y abre las compuertas de al menos una entrada y al menos una salida.

También, la unidad de acondicionamiento de aire puede funcionar en modo de aire acondicionado directo, en el que el procesador activa el ventilador, detecta por medio del al menos un sensor que el material de almacenamiento de energía está descargado y permite, a través del conjunto de válvulas, la entrada de fluido de intercambio de calor conectado a una fuente externa al interior del intercambiador de calor directo, para permitir el intercambio de calor entre dicho fluido de intercambio y la corriente de aire generada por el ventilador.

La unidad de acondicionamiento de aire puede funcionar también en modo de ventilación o enfriamiento gratuito, en el que el procesador detecta por medio del al menos un sensor que el material de almacenamiento de energía está descargado, activa únicamente el ventilador, y abre las compuertas de al menos una entrada y al menos una salida, para suministrar aire del ambiente exterior al ambiente interior.

El módulo de control permite seleccionar el período más favorable de almacenamiento y suministro de energía, habilitando el modo de funcionamiento de almacenamiento de energía térmica mediante el circuito de transferencia de calor conectado a una fuente térmica externa, almacenando energía durante la disponibilidad de fuentes de energía renovables gratuitas; o a lo largo del período más favorable de consumo de electricidad desde un punto de vista económico y/o ambiental, preferentemente en el caso de uso de bomba de calor como fuente térmica externa.

Así, la unidad de acondicionamiento de aire de la invención permite la posibilidad de dar flexibilidad energética en la calefacción y refrigeración mediante el uso del módulo de control que permite una respuesta inteligente a la demanda, o una gestión inteligente del lado de la demanda.

La unidad de acondicionamiento de aire es fácilmente instalable en edificios existentes, sin obras y sin requerimientos de espacio adicional, reduciendo los costes de inversión e instalación asociados, gracias a su diseño optimizado y ergonómico. Además, su diseño compacto y con alta densidad de almacenamiento energético reduce las pérdidas de calor durante los periodos de almacenamiento.

La unidad de acondicionamiento de aire también proporciona una solución de calefacción y refrigeración baja en carbono, siendo eficaz y eficiente, con bajo peso y alta compacidad.

La unidad de acondicionamiento de aire se puede usar fácilmente en procesos de rehabilitación energética o nuevas construcciones y puede ser instalada adosada al techo, la pared o el suelo e incluso se puede integrar dentro de la envolvente del edificio, esto es en suelos técnicos, fasos techos o dentro de las capas de la envolvente del edificio. Esto permite adaptarse a diversas casuísticas, siendo capaz de instalarse en procesos de rehabilitación de edificios limitando las posibles inconveniencias al usuario derivadas del proceso de rehabilitación o instalación.

Además, las pérdidas de calor son altamente reducidas en comparación con unidades de acondicionamiento de aire convencionales gracias a la alta densidad de almacenamiento en la carcasa aislada, y a la reducción de dispositivos adicionales de almacenamiento y/o suministro, lo que permite reducir las pérdidas adicionales derivadas de circuitos de intercambio de calor adicionales.

La unidad de acondicionamiento de aire de la invención permite la posibilidad de cambiar los periodos de operación hacia horas de baja tarifa eléctrica, la mejora del rendimiento evitando la operación a carga parcial, y la posibilidad de operar en periodos óptimos, con condiciones ambientales de operación mucho más favorables y eficientes, preferentemente en el uso de bomba de calor como fuente de energía externa.

DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS

Para complementar la descripción que se está realizando y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características de la invención, de acuerdo con un ejemplo preferente de realización práctica de la misma, 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:

Figura 1.- muestra una vista esquemática de una realización preferente del sistema de acondicionamiento de aire de la invención, destinado a ser montado en un techo.

Figura 2.- muestra una vista esquemática de una realización del sistema de acondicionamiento de aire de la invención, destinado a ser montado en una pared.

Figura 3.- muestra una vista explosionada del módulo de almacenamiento de energía de la invención.

Figura 4.- muestra una representación esquemática de la conexión entre módulos de almacenamiento de energía.

Figura 5a, 5b, 5c. ,5d.- muestra representaciones esquemáticas de las diferentes configuraciones de la superficie de los módulos de almacenamiento de energía.

Figura 6a, 6b, 6c.- muestra una representación esquemática de las diferentes alternativas de instalación de aletas en el serpentín de los módulos de almacenamiento de energía.

Figura 7a, 7b, 7c.- muestra una representación esquemática de posibles alternativas de combinación de los módulos de almacenamiento de energía: en serie, paralelo o combinación de serie y paralelo.

Figura 8a, 8b.- muestra una representación esquemática de posibles alternativas de combinación de los módulos de almacenamiento de energía con uno o más materiales de almacenamiento de energía diferentes.

Figura 9.- muestra una vista esquemática de una realización de la unidad de acondicionamiento de aire de la invención junto con la fuente de energía térmica externa y el circuito de transferencia de calor, instalados en un techo.

Figura 10.- muestra una vista esquemática de la aplicación de una realización de la unidad de acondicionamiento de aire de la invención junto con la fuente de energía térmica externa y el circuito de transferencia de calor, instalados en un techo.

REALIZACIÓN PREFERENTE DE LA INVENCIÓN

La invención se refiere a una unidad de acondicionamiento de aire compacta y de fácil instalación, capaz de realizar funciones de calefacción, refrigeración, ventilación y almacenamiento y suministro de energía térmica. La unidad de acondicionamiento de aire de la invención está destinada a conectarse a una fuente de energía térmica, que puede ser una fuente de energía renovable, una bomba de calor o una caldera, entre otros, y a introducir una corriente de aire a un ambiente interior, de modo que permite usar la energía térmica proporcionada por la fuente de energía para acondicionar la corriente de aire o almacenar dicha energía térmica en su interior con el fin de proporcionarla cuando sea necesario.

La Figura 1 muestra una realización preferente de la unidad de acondicionamiento de aire de la invención, destinada a ser instalada en un techo, mientras que la Figura 2, muestra una realización de la unidad de acondicionamiento de aire destinada a ser instalada en una pared.

La unidad de acondicionamiento de aire mostrada en las figuras 1 y 2 comprende una carcasa (101) exterior aislada que aloja el resto de los elementos, y que comprende dos entradas (102), una entrada de aire conectada al ambiente exterior y una entrada (102) de aire conectada al ambiente interior, y una salida (115) de aire. Así, permite introducir, a través de la salida (115) de aire, al ambiente interior aire, previamente acondicionado, proveniente del ambiente exterior o del propio ambiente interior.

Las entradas (102) y salidas (115) de la unidad de acondicionamiento de aire tienen una compuerta que se puede abrir o cerrar de forma hermética, de modo que, se puede aislar completamente el interior de la carcasa (101) y evitar así la fuga de la energía térmica almacenada.

La unidad de acondicionamiento de aire también comprende un ventilador (106), que se encarga de generar una corriente de aire hacia la salida (115) de aire. El ventilador (106) imprime velocidad a la corriente de aire proveniente de una o ambas de las entradas (102), y aumenta su presión, obligando a la corriente de aire a circular por el interior de la carcasa (101) a través de uno o más módulos de almacenamiento de energía (103), hacia la salida (115) de aire. Asimismo, la acción del ventilador (106) permite forzar la transferencia de calor por convección y así mejorar el ratio de transferencia de energía térmica.

En el interior de la carcasa (101), se disponen un conjunto de módulos de almacenamiento de energía (103), para almacenar energía térmica y suministrarla en el momento en que sea preciso. De ese modo, la corriente de aire pasa a través de los módulos de almacenamiento de energía (103), que, en caso de estar cargados de energía térmica, ceden parte de dicha energía a la corriente de aire.

Los módulos de almacenamiento de energía (103) integran capacidad de almacenamiento térmico de alta densidad, como guía y soporte, frente a dos flujos de intercambio de calor, siendo estos aire para acondicionar del interior de la carcasa (101) y un fluido de intercambio de calor suministrado por un circuito de transferencia de calor (111) conectado con una fuente de energía térmica externa (121) que no forma parte de la unidad de acondicionamiento de aire, pudiendo este serpentín (105) actuar como receptor de un fluido, como evaporador y/o como condensador. Por el interior del circuito de transferencia de calor (111) circula un fluido de intercambio que transmite la energía térmica desde la fuente de energía térmica externa (121) hacia los módulos de almacenamiento de energía (103).

Los módulos de almacenamiento de energía (103) comprenden en su interior un serpentín (105) de tuberías y un material de almacenamiento de energía térmica (104), que, en este caso, es de cambio de fase. Así, el material de almacenamiento de energía térmica (104) almacena o suministra dicha energía térmica actuando como un intercambiador de calor.

Además, los módulos de almacenamiento de energía comprenden en su interior una cabina de nucleación (112), que se encarga de favorecer la cristalización del material de almacenamiento de energía (104) para liberar la energía térmica almacenada, en el caso de utilizarse materiales de cambio de fase con subenfriamiento estable, es decir, materiales que permanecen en estado líquido por debajo de su punto de fusión.

La unidad de acondicionamiento de aire de la invención además comprende un intercambiador de calor (107) directo, que se encarga de transferir energía térmica directamente desde la fuente de energía térmica externa (121) hacia la corriente de aire. Así, el intercambiador de calor (107) está conectado al circuito de transferencia de calor (111), para recibir el fluido de intercambio que contiene la energía térmica que se pretende transmitir. El intercambiador de calor (107) deja fluir el fluido de intercambio por su interior y a través de sus paredes permite el intercambio de calor entre dicho fluido de intercambio y la corriente de aire.

En las inmediaciones de la salida (115) de aire, se dispone un plenum (108), destinado a homogeneizar las condiciones ambientales del aire en el interior de la carcasa (101).

La carcasa (101) también aloja una bandeja de condensación (109), dispuesta debajo de los módulos de almacenamiento de energía térmica (103) y del intercambiador de calor (107), con el fin de recoger líquido producido por la condensación del aire durante el intercambio de calor. Asimismo, la unidad de acondicionamiento de aire también comprende un circuito de drenaje (110) para evacuar el líquido recogido por la bandeja de condensación (109).

La Figura 3a muestra una vista explosionada de un módulo de almacenamiento de energía (103), que comprende el material de almacenamiento de energía (104) confinado en un armazón (116). En el interior de dicho armazón (116), circula el serpentín (105) de tuberías, que, en este caso, forma una serie de secciones con forma de U, de modo que está en contacto con una mayor superficie del material de almacenamiento de energía (104). El serpentín (105) sale al exterior por medio de dos conexiones de tuberías situadas en la pared del armazón (116).

El serpentín (105) del módulo de almacenamiento de energía (103) mostrado en la figura 3 comprende además unas aletas (113) que permiten obtener una superficie de contacto todavía mayor entre las paredes del serpentín (105) y el material de almacenamiento de energía (104), incrementando así el ratio de transferencia de calor.

Además, el módulo de almacenamiento de energía (103) también comprende una cabina de nucleación (112), la cual permite favorecer la cristalización del material de almacenamiento de energía (104), en el caso de utilizarse materiales de cambio de fase con subenfriamiento estable, es decir, materiales que permanecen en estado líquido por debajo de su punto de fusión. Durante el proceso de cristalización, el material de almacenamiento de energía (104) desprende calor que se transfiere a la corriente de aire a través de las paredes del armazón (116) que lo contiene.

La figura 4 muestra una vista de dos módulos de almacenamiento de energía conectados en serie entre sí y con el circuito de transferencia de calor (111), de modo que un primer elemento de conexión interconecta una primera tubería del circuito de transferencia de calor (111) con una primera conexión de tubería situada en la pared del armazón (116) del primer módulo de almacenamiento de energía (103), en cuyo interior circula su serpentín (105), hasta una segunda conexión de tubería del armazón (116), entonces un segundo elemento de conexión conecta la segunda conexión de tubería con una tercera conexión de tubería situada en la pared del armazón (116) del segundo módulo de almacenamiento de energía (103), en cuyo interior circula su serpentín (105), hasta una cuarta conexión de tubería. Finalmente, un tercer elemento de conexión une la cuarta conexión de tubería con una segunda tubería del circuito de transferencia de calor (111).

Las figuras 5A, 5B, 5C y 5D muestran distintas configuraciones de las paredes del armazón (116) del módulo de almacenamiento de energía (103) y su efecto sobre el flujo de la corriente de aire que circula a su alrededor. La figura 5A muestra una superficie plana (117) del armazón (116), con un flujo del aire laminar y ordenado. La figura 5B muestra una superficie con micro-rugosidad o rugosa (118), que genera cierta turbulencia en la corriente de aire, aumentando la transferencia de calor. La figura 5C muestra una superficie con curvas o irregular (119) que genera una mayor turbulencia y aumenta también la superficie de contacto entre el material de almacenamiento de energía (104) y la corriente de aire, aumentando así la transferencia de calor. La figura 5D muestra una configuración del armazón (116) con deflectores térmicos o aletas (120) que consiguen un aumento de la turbulencia y la superficie de contacto, y, por tanto, un aumento del ratio de transferencia de calor.

Las figuras 6A, 6B y 6C muestran distintas configuraciones de los difusores térmicos o aletas (113) que se acoplan al serpentín (105) de los módulos de almacenamiento de energía, para aumentar la transferencia de calor. La figura 6A muestra una configuración en la que las aletas (113) se colocan en la dirección del tubo del serpentín (105) en cada una de sus secciones rectas en el plano del armazón (116). La figura 6B muestra una segunda configuración con las aletas (113) situadas en el plano del armazón (116), pero situados en dirección transversal a las secciones rectas del tubo del serpentín (105). La figura 6C muestra una configuración con aletas (113) dispuestas en un plano perpendicular al plano del armazón (116) en dirección transversal a las secciones rectas del tubo del serpentín (105).

Las figuras 7A, 7B y 7C muestran distintas configuraciones en las que se pueden colocar los distintos módulos de almacenamiento de energía (103), pudiendo configurarse en serie, en paralelo o una combinación de ambas. La figura 7A muestra una configuración en serie, en la que el fluido de intercambio de calor pasa desde el circuito de transferencia de calor (111) a un primer módulo de almacenamiento de energía (103), luego pasa a un segundo módulo de energía y finalmente vuelve al circuito de transferencia de calor (111) hacia la fuente de energía externa (121). La figura 7B muestra una configuración en paralelo, en la que el fluido de intercambio de calor pasa desde el circuito de transferencia de calor (111) a un primer módulo de almacenamiento de energía (103) y luego vuelve directamente al circuito de transferencia de calor (111), al mismo tiempo, el fluido de intercambio pasa desde el circuito de transferencia de calor (111) a un segundo módulo de almacenamiento de energía (103) y vuelve al circuito de transferencia de calor (111). La figura 7C muestra una configuración compuesta de módulos de almacenamiento de energía (103) en serie y en paralelo. Así, el fluido de intercambio pasa desde el circuito de transferencia de calor (111) a un primer módulo de almacenamiento de energía (103), de este, a un segundo módulo de almacenamiento de energía (103) y luego vuelve al circuito de transferencia de calor (111), al mismo tiempo, el fluido de intercambio pasa desde el circuito de transferencia de calor (111) a un tercer módulo de almacenamiento de energía (103), de este a un cuarto módulo de almacenamiento de energía (103) y, entonces, vuelve al circuito de transferencia de calor (111). Además, el primer y tercer módulo de almacenamiento de energía (103) son más grandes en tamaño que los módulos de almacenamiento de energía (103) segundo y cuarto.

La figura 8A muestra una configuración de módulos de almacenamiento de energía (103) en serie y en paralelo, en el que todos los materiales de almacenamiento de energía (104) son iguales. En la figura 8B, en cambio, se muestra una configuración de módulos de almacenamiento de energía (103) en serie y en paralelo, en el que los módulos de almacenamiento de energía (103) comprenden materiales de almacenamiento de energía (104) diferentes. En particular, cada uno de los conjuntos de módulos de almacenamiento de energía (103) colocados en serie comprenden el mismo material de almacenamiento de energía (104), que es distinto del material de almacenamiento de energía (104) de los módulos de almacenamiento de energía que están colocados en paralelo. En esta última configuración, preferentemente, se utilizan materiales de cambio de fase con diferente temperatura de fusión.

La figura 9 muestra la unidad de acondicionamiento de aire de la invención montada en un techo. La unidad de acondicionamiento de aire está conectada a una fuente de energía térmica externa (121), que en este caso es una bomba de calor a través del circuito de transferencia de calor (111). La unidad de acondicionamiento de aire mostrada en la Figura 9 comprende dos entradas (102) de aire, una conectada al ambiente exterior y la otra conectada al ambiente interior, y una salida (115) de aire.

La unidad de acondicionamiento de aire, en este caso también comprende un módulo de control (114), que se encarga de modular la temperatura del aire controlando el caudal del fluido de intercambio de calor y/o el caudal de aire, y el apagado, encendido y regulación de los distintos módulos. El módulo de control (114) permite regular los distintos modos de operación de la unidad y ajustar el modo de funcionamiento mediante: la apertura, cierre o regulación de las entradas (102) y salidas (115) de aire; y la apertura, cierre o variación del caudal de fluido y/o del caudal de aire. Además, permite recargar el material de almacenamiento de energía (104) en periodos óptimos de operación, por ejemplo, en periodos en los que la electricidad es más barata, cuando hay disponible energía renovable producida, por ejemplo, por un sistema de autoconsumo integrado en el edificio, o cuando la temperatura ambiente es más favorable para el funcionamiento de la bomba de calor (121).

El módulo de control (114), en este caso, también comprende un procesador, con al menos un sensor, para detectar si el material de almacenamiento de energía está cargado, al menos un actuador conectado al ventilador y a las compuertas de la al menos una entrada (102) y la al menos una salida (115), para controlar el caudal de aire, y un conjunto de válvulas, destinado a controlar el caudal de fluido de intercambio de calor que se introduce en la carcasa (101) hacía el módulo de almacenamiento térmico (103) o hacía el intercambiador de calor directo (107), así el módulo de control (114) modula la temperatura del aire de salida (115) haciendo uso de cinco modos de funcionamiento distintos:

- almacenamiento de frió mediante ventilación, el procesador activa únicamente el ventilador (106), y abre las compuertas de al menos una entrada (102),

- almacenamiento de energía térmica mediante el circuito de transferencia de calor (111), el módulo de control (114) permite, a través del conjunto de válvulas, la entrada de fluido de intercambio de calor conectado a la fuente de energía externa (121) a través del serpentín (105) situado en el interior de los módulos de almacenamiento de energía (103),

- descarga de energía térmica, el procesador activa el ventilador (106), y abre las compuertas de al menos una entrada (102) y al menos una salida (115),

- acondicionamiento de aire directo, el procesador detecta por medio del al menos un sensor que el material de almacenamiento de energía está descargado y permite, a través del conjunto de válvulas, la entrada de fluido de intercambio de calor conectado a la fuente de energía externa (121), en el interior del intercambiador de calor directo (107), y

- ventilación, el procesador detecta por medio del al menos un sensor que el material de almacenamiento de energía está descargado y activa únicamente el ventilador (106), y abre las compuertas de al menos una entrada (102) y al menos una salida (115).

La Figura 10 muestra un ejemplo de la aplicación de la unidad de acondicionamiento de aire, de la invención montada en el techo de un edificio. La unidad de acondicionamiento de aire comprende una carcasa (101) aislada con un espesor de aislamiento de 5 cm. La unidad de acondicionamiento de aire comprende dos entradas (102) de aire, una conectada al ambiente exterior para ventilación y enfriamiento gratuito (free-cooling) y otra conectada al ambiente interior; y una salida (115) de aire para el suministro de acondicionamiento de aire al ambiente interior. Las entradas (102) y la salida (115) de aire pueden abrirse o cerrarse de forma hermética a lo largo de la operación de la unidad de acondicionamiento de aire según sea necesario, con el objetivo de reducir las pérdidas de calor durante los períodos de almacenamiento.

La capacidad de enfriamiento de la unidad de acondicionamiento de aire de la invención oscila entre 2 y 2,5 kW/K.

El ventilador (106) tiene un flujo de aire variable hasta 880 m3/h, y un consumo de energía asociado de 84 W, y fuerza la convección entre los elementos de intercambio de calor, logrando una velocidad media de aire de 4 m/s a través del conducto.

Los módulos de almacenamiento de energía (103), tienen una capacidad total de almacenamiento de energía térmica de 55kWh. El material de almacenamiento de energía (104) seleccionado es de cambio de fase y tiene un punto de fusión de 16°C. La cantidad total de material de almacenamiento de energía (104) es 0.75mA3. La tasa de transferencia de calor entre los materiales de almacenamiento de energía (104) y el aire oscila entre 15 y 30 W/mA2K, debido a la velocidad y el régimen turbulento del flujo de aire derivado de las características de la superficie del armazón (116) de los módulos de almacenamiento de energía (103).

La carcasa (101) aislada en conjunto con el uso de módulos de almacenamiento (103) permite el beneficio sinérgico de compacidad, aislamiento y reducción de circuitos de intercambio intermedios, lo que permite reducir la perdida de calor por debajo de 0.7 W/m2 K a través de un menor volumen de perdidas, reduciendo los valores diarios de pérdidas de calor en más del 50% en comparación con sistemas de almacenamiento de energía convencionales.

Además, cuando el módulo de almacenamiento de energía (103) está descargado, el intercambiador de calor (107) acondiciona directamente el aire.

La bomba de calor (121), en este ejemplo de aplicación, se trata de una bomba de calor aire-agua con una capacidad de enfriamiento de 5.3 kW.

El módulo de control (114) predictivo inteligente permite la posibilidad de un suministro térmico directo o una gestión inteligente del lado de la demanda (o una respuesta inteligente a la demanda) cargando la unidad de almacenamiento de energía térmica (103) durante los períodos más favorables de operación: períodos de enfriamiento gratuito (o free-cooling); o a través del funcionamiento de la bomba de calor (121) durante períodos con tarifa eléctrica más barata, o con mejores temperaturas de operación exterior para aumentar su eficiencia.

La aplicación de la presente invención permite reducir el consumo energético en refrigeración entre un 27% y un 80%, en función de los modos de operación accionados (activos o pasivos).

Además, como el consumo de energía por la bomba de calor (121) es producido cuando las condiciones exteriores son mejores para aumentar el índice de eficiencia energética de la unidad, y cuando la tarifa eléctrica es más baja debido a la baja demanda de energía y/o alta generación de energía renovable, los costes económicos de operación pueden reducirse entre un 50% y un 82% dependiendo del modo de operación.

Junto a ello, el coste de inversión en comparación con un ensamblaje convencional de componentes podría reducirse en torno al 20%, siendo este altamente dependiente del coste del material de almacenamiento térmico.

Así, el módulo de control (114) permite una respuesta inteligente a la demanda en función de las condiciones más favorables de operación, desde el punto de vista económico, ambiental y de las necesidades del usuario, y permite alcanzar el beneficio sinérgico de que el consumo energético puede ser producido cuando las condiciones exteriores de operación son más favorables y cuando la tarifa eléctrica es más baja.

Claims

REIVINDICACIONES

1. Unidad de acondicionamiento de aire con funciones de ventilación y almacenamiento de energía térmica destinada a ser conectada a una fuente de energía térmica externa (121) mediante al menos un circuito de transferencia de calor (111), por el que circula un fluido de intercambio de calor, en el que la unidad de acondicionamiento de aire comprende:

- una carcasa (101) aislada, que comprende al menos una entrada (102) de aire y al menos una salida (115) de aire;

- al menos un módulo de almacenamiento de energía (103) térmica, alojado en el interior de la carcasa (101), para almacenar y suministrar energía térmica, y que comprende, al menos, un material de almacenamiento de energía (104), donde el al menos un módulo de almacenamiento de energía (103) está destinado el circuito de transferencia de calor (111), para permitir un intercambio de calor entre el fluido de transferencia de calor y el material de almacenamiento de energía (104);

- al menos un ventilador (106), situado en el interior de la carcasa (101) y destinado a generar una corriente de aire desde la al menos una entrada (102) hacia la al menos una salida (115) de la carcasa (101), y a forzar una transferencia de calor por convección entre dicha corriente de aire y los módulos de almacenamiento de energía (103).

2. La unidad de aire acondicionado de acuerdo con la reivindicación 1, donde al menos una entrada (102) y al menos una salida (115) comprenden una compuerta configurada para abrirse o cerrarse de forma hermética y térmicamente aislada.

3. La unidad de acondicionamiento de aire de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 2, donde la carcasa (101) comprende al menos dos entradas (102), una primera entrada (102) conectada al ambiente interior para acondicionamiento, y una segunda entrada (102) conectada al ambiente exterior, para ventilación o enfriamiento gratuito.

4. La unidad de acondicionamiento de aire de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, que además comprende al menos un intercambiador de calor (107) directo líquido-aire, conectado al circuito de transferencia de calor (111), que comprende una superficie destinada a producir un intercambio de calor entre el fluido de intercambio de calor con la fuente externa (121) y la corriente de aire del interior de la carcasa (101).

5. La unidad de aire acondicionado de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, que además comprende al menos un plenum (108), situado en el interior de la carcasa (101) y destinado a homogeneizar la presión del aire y al menos un filtro de aire.

6. La unidad de aire acondicionado de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, que además comprende una bandeja de condensación (109) situada bajo el al menos un módulo de almacenamiento de energía (103) o bajo el intercambiador de calor (107) directo, y un circuito de drenaje (110) conectado a la bandeja de condensación (109).

7. La unidad de acondicionamiento de aire de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, donde el módulo de almacenamiento de energía (103) además comprende al menos una cabina de nucleación (112), para favorecer la cristalización y liberación de calor del material de almacenamiento de energía (104), en el caso de que éste posea subenfriamiento estable, es decir, que permanece en estado líquido por debajo de su punto de fusión.

8. La unidad de aire acondicionado de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, donde el material de almacenamiento de energía (104) esta macroencapsulado.

9. La unidad de acondicionamiento de aire de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, donde el material de almacenamiento de energía (104) está basado en almacenamiento sensible y/o latente, es decir, con un material de cambio de fase.

10. La unidad de acondicionamiento de aire de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9, donde al menos un módulo de almacenamiento de energía (103) térmica comprende:

- un armazón (116), destinado a alojar el material de almacenamiento de energía (104) y permitir el intercambio de calor entre el material de almacenamiento de energía (104) y el aire que circula por el interior de la carcasa (101); y

- un serpentín (105), que circula por el interior o por la superficie del armazón (116), y que está destinado a alojar el fluido de transferencia de calor, y permitir, a través de sus paredes, el intercambio de calor entre dicho fluido, el cual está conectado al menos a una fuente de energía externa (121), y el material de almacenamiento de energía (104).

11 . La unidad de acondicionamiento de aire de acuerdo con la reivindicación 10, donde el armazón (116) del módulo de almacenamiento de energía térmica (103), comprende superficies planas (117), superficies con microrugosidad o superficies rugosas (118), superficies curvas o superficies irregulares (119) y superficies con aletas (120), para lograr una transferencia de calor apropiada entre el material de almacenamiento de energía (104) con el flujo de aire.

12. La unidad de acondicionamiento de aire de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 10 y 11, donde el serpentín (105) está situado en el interior del armazón (116) o en su superficie.

13. La unidad de acondicionamiento de aire de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 10 a 12, donde el serpentín (105) comprende además unas aletas (113), que actúan como difusores térmicos para mejorar la transferencia de calor entre el material de almacenamiento de energía (104) térmica y el flujo de transferencia de calor.

14. La unidad de acondicionamiento de aire de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 13, que comprende al menos dos módulos de almacenamiento de energía térmica (103) conectados en serie, en paralelo o en una combinación de ambas.

15. La unidad de acondicionamiento de aire de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 14, donde los materiales de almacenamiento de energía (104) de cada módulo de almacenamiento de energía (103) son de cambio de fase y tienen distinta temperatura de fusión.

16. La unidad de acondicionamiento de aire de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 15, que además comprende un módulo de control (114), que comprende:

- un procesador, capaz de regular distintos modos de operación a través de la apertura, cierre o variación del fluido de transferencia de calor (111) y/o del caudal de aire introducido en la carcasa (101);

- al menos un sensor, capaz de detectar si el material de almacenamiento de energía (104) está cargado o descargado;

- al menos un actuador conectado al ventilador (106), a la al menos una entrada (102) y al menos una salida (105); y

- un conjunto de válvulas para controlar el caudal del flujo de aire y del fluido de transferencia de calor.

17. Método de acondicionamiento de aire que hace uso de la unidad descrita de acuerdo con la reivindicación 16, donde el módulo de control (114) selecciona uno o varios modos de funcionamiento de entre:

- almacenamiento de frió mediante ventilación (free-cooling), donde el procesador activa únicamente el ventilador (106), y abre la al menos una entrada vinculada al ambiente exterior (102);

- almacenamiento de energía térmica, frió o calor, mediante el circuito de transferencia de calor (111) conectado a la al menos a una fuente de energía externa (121), donde el procesador permite, a través del conjunto de válvulas, la entrada del fluido de transferencia de calor hacia el interior de los módulos de almacenamiento de energía (103);

- descarga de energía térmica, donde el procesador detecta, mediante el al menos un sensor, la energía térmica almacenada, activa el ventilador (106) y abre las compuertas de la al menos una entrada (102) y la al menos una salida (115),

- acondicionamiento de aire directo, donde el procesador activa el ventilador (106), detecta, por medio del al menos un sensor, que el material de almacenamiento de energía (104) está descargado y permite, a través del conjunto de válvulas, la entrada de fluido de intercambio de calor (111) en el interior del intercambiador de calor directo (107); y

- ventilación, el procesador activa únicamente el ventilador (106), y abre la al menos una entrada (102) y la al menos una salida (115).