ES2893854T3 - Agua caliente y almacenamiento de energía - Google Patents

Abstract

Un sistema (100) de almacenamiento de energía de agua caliente que comprende: un recipiente (102) de almacenamiento; una bomba (151) dispuesta, en uso, para bombear agua hacia y desde el recipiente (102) de almacenamiento; un intercambiador (152) de calor que tiene una entrada y una salida y que está dispuesto, en uso, para recibir agua del recipiente (102) de almacenamiento en la entrada y para sacar agua al recipiente (102) de almacenamiento a través de la salida; una válvula (158) de desvío dispuesta, en uso, para desviar una proporción de la salida de agua del intercambiador (152) de calor de regreso a la entrada del intercambiador (152) de calor, sin pasar por el recipiente (102) de almacenamiento; uno o más sensores (120a, 120b, 120c) de temperatura dispuestos, en uso, para medir una temperatura del agua dentro del sistema (100); y un sistema (130) de control, estando dispuesto el sistema (130) de control para controlar, basándose en al menos una medición de temperatura del agua dentro del sistema (100) y la cantidad deseada de calor que se transferirá hacia o desde el agua por el intercambiador (102) de calor: (i) la bomba (151), de modo que el caudal de agua está regulado; y (ii) la válvula (158) de desvío, de manera que se regule la proporción de agua que se desvía, para mantener la temperatura de retorno del agua suministrada al recipiente (102) de almacenamiento dentro de un rango especificado mientras se transfiere la cantidad deseada de calor, y en la que: (i) si el sistema (100) está dispuesto para ser utilizado para calentamiento, y el rango especificado dentro del cual el sistema (130) de control está dispuesto para mantener la temperatura de retorno significa la temperatura más baja consistente con asegurar que la temperatura de retorno sea igual o mayor que la temperatura máxima a la que el sistema (100) está dispuesto para calentar un espacio, habitación, ambiente, agua u otro objetivo a calentar; y (ii) si el sistema (100) está dispuesto para ser utilizado para enfriamiento, y el rango especificado dentro del cual el sistema (130) de control está dispuesto para mantener la temperatura de retorno significa la temperatura más alta consistente con asegurar que la temperatura de retorno sea igual o menor que la temperatura mínima a la que el sistema (100) está dispuesto para enfriar un espacio, habitación, ambiente, agua u otro objetivo a enfriar.

Description

DESCRIPCIÓN

Agua caliente y almacenamiento de energía

Esta invención se refiere a sistemas de almacenamiento de energía de agua caliente que incluyen recipientes de almacenamiento de agua. Más particularmente, la invención se refiere a sistemas de almacenamiento de energía de agua caliente que incluyen recipientes de almacenamiento de agua que son parte de los sistemas de bomba de calor.

Un recipiente de almacenamiento de agua caliente tiene un tubo de alimentación dispuesta para suministrar agua al recipiente de almacenamiento y un segundo tubo a través de la cual se extrae el agua del recipiente de almacenamiento. Un sistema de almacenamiento de energía de agua caliente tiene una bomba dispuesta para bombear agua hacia y desde el recipiente de almacenamiento y un intercambiador de calor a través del cual pasa al menos parte del agua. El intercambiador de calor puede calentar o enfriar el agua de acuerdo con el propósito o uso del sistema.

La invención se puede aplicar al calentamiento o enfriamiento de agua doméstico, comercial o industrial y/o al calentamiento o enfriamiento de espacios. La invención también se puede aplicar a sistemas reversibles que pueden realizar calentamiento o enfriamiento dependiendo de la demanda.

Por lo tanto, los sistemas de almacenamiento de energía de agua caliente de la invención pueden usarse para tomar calor de una fuente y transferirlo a otra ubicación a través de medios eléctricos y/o mecánicos. Los sistemas de almacenamiento de energía de agua caliente de la invención pueden usarse para calentar o enfriar, y pueden ser reversibles.

Con los precios de la energía y la preocupación por el uso de energía en general aumentando, existe el deseo de mejorar la eficiencia de todos los sistemas de transferencia de calor para ahorrar energía y dinero mientras se siguen satisfaciendo las demandas de calentamiento y/o enfriamiento.

En el contexto del calentamiento doméstico, el agua caliente del recipiente de almacenamiento de agua caliente a una primera temperatura se bombea a radiadores, bajo serpentines en el suelo, una unidad de ventilación o similares para proporcionar calentamiento. Luego, el agua de retorno se recircula de regreso al recipiente de almacenamiento a una segunda temperatura más baja. La diferencia de temperatura se revertiría en un sistema de enfriamiento. En el contexto del calentamiento doméstico, un usuario selecciona una temperatura establecida, o deseada, para la habitación u otro ambiente a calentar, por ejemplo, usando un termostato. Se mide la temperatura del aire dentro del ambiente que se va a calentar, y el sistema de calentamiento está dispuesto para proporcionar calor hasta que se alcanza la temperatura establecida, y luego para mantener la temperatura del aire alrededor de la temperatura establecida.

La sabiduría convencional sostiene que el agua en un recipiente de almacenamiento de agua caliente debe mantenerse lo más caliente posible.

Por el contrario, el inventor apreció que, para lograr una eficiencia óptima con bombas de calor y maximizar el almacenamiento de energía del recipiente de almacenamiento, debería maximizarse la diferencia de temperatura entre la parte superior e inferior del recipiente de almacenamiento. El agua en la parte inferior del recipiente de almacenamiento debe mantenerse a la temperatura más baja razonablemente posible (dados los requisitos y restricciones del sistema).

Además, en la mayoría de los sistemas de la técnica anterior, se usa una temperatura de condensación constante durante todo el calentamiento del agua. Por ejemplo, si el agua se va a calentar a 60 °C, se puede utilizar una temperatura de condensación de 65 °C durante todo el proceso de calentamiento. Sin embargo, como se describe en la solicitud PCT WO2015/155543, el inventor apreció que se podría lograr una mayor eficiencia variando la temperatura de condensación durante el proceso de calentamiento; más específicamente, manteniendo la temperatura de condensación lo más baja posible y aumentando la temperatura de condensación a medida que aumenta la temperatura del agua a calentar. En el documento WO 2015/155543, la temperatura de condensación se controla de manera que se mantenga en un intervalo determinado por encima de la temperatura del agua a calentar (el intervalo que permite pérdidas de calor del sistema y similares); de esta manera, la temperatura de condensación aumenta al menos sustancialmente de forma lineal con la temperatura del agua.

El inventor apreció que, usando el método divulgado en su solicitud anterior, WO 2015/155543, calentar una cantidad menor de agua más fría podría hacerse de manera más eficiente que calentar una cantidad mayor de agua más caliente, ya que la temperatura de condensación promedio utilizada puede ser disminuida. Reducir la temperatura de condensación promedio en solo unos pocos grados proporciona ahorros de energía significativos de acuerdo con la ley de Carnot. Además, el inventor apreció que mantener el agua en la porción inferior del recipiente de almacenamiento a la temperatura más baja razonablemente posible (dados los requisitos y restricciones del sistema), por lo que se requiere reducir la temperatura de condensación para calentar el agua en la porción inferior del recipiente de almacenamiento, permitiría este tipo de ahorro de eficiencia.

Por lo tanto, maximizar la diferencia de temperatura puede ofrecer la ventaja de aumentar la eficiencia cuando se usa el método de la aplicación anterior del inventor.

Sin embargo, mantener la temperatura en la porción inferior del recipiente de almacenamiento lo más baja posible mientras se sigue satisfaciendo la demanda de calentamiento no es trivial. Con los controles convencionales, la temperatura del agua de retorno en un sistema de calentamiento está a una temperatura mucho más alta que el valor óptimo (el tubo de retorno de agua generalmente está cerca del fondo del recipiente de almacenamiento en un escenario de calentamiento). En consecuencia, con los controles convencionales, la temperatura del agua de retorno en un sistema de enfriamiento está a una temperatura mucho más baja que el valor óptimo (el tubo de retorno del agua generalmente está cerca de la parte superior del recipiente de almacenamiento en un escenario de enfriamiento).

Esto se debe a que el método convencional de controlar el flujo de agua a través del intercambiador de calor es con una válvula de desvío que solo permite que entre suficiente agua fría/caliente en el intercambiador de calor para subir/bajar la temperatura del aire lo suficiente para equilibrar las pérdidas de calor y mantener la temperatura establecida. El agua que ha pasado a través del intercambiador de calor se recombina con el agua desviada alrededor del intercambiador de calor por la válvula de desvío antes de volver a entrar en el recipiente de almacenamiento. El funcionamiento de la válvula de desvío significa que la temperatura del agua de retorno al recipiente de almacenamiento es típicamente solo alrededor de 5 °C por debajo de la temperatura del agua que sale del recipiente de almacenamiento, lo cual es a menudo entre 40 °C y 45 °C en un contexto de calentamiento doméstico. Esto significa que el agua de retorno regresará constantemente al recipiente de almacenamiento a ese nivel de temperatura, ya que una gran proporción del agua circulada pasa por alto el intercambiador de calor y, por lo tanto, pierde muy poco calor antes de regresar al recipiente de almacenamiento.

Al final del día, cuando comienza el recalentamiento nocturno, la temperatura promedio en la parte inferior del recipiente de almacenamiento de energía será típicamente de alrededor de 42 °C, en lugar del nivel deseado para una eficiencia máxima del sistema de alrededor de 28 °C. Esto, a su vez, reducirá el coeficiente de rendimiento (COP) del sistema en más de un 30 %, disminuyendo así la eficiencia.

El documento DE102011001223 divulga un sistema en el que se determina la temperatura de flujo del agua que es calentada por un calentador de agua del sistema de calentamiento, mientras se determina la temperatura de retorno y la temperatura exterior del agua con respecto al generador de calor. Se calcula el caudal de agua a través del generador de calor. El generador de calor, la bomba del circuito de calentamiento y la válvula de derivación se modulan en función de las temperaturas, de flujo de retorno y exterior y del caudal de agua.

El documento JP 2010 008036 (A) divulga un sistema de calentamiento que incluye: un sistema de bomba de calor; un circuito de calentamiento para suministrar agua caliente calentada dentro del sistema de bomba de calor al terminal de calentamiento y para devolver el agua caliente descargada desde el terminal de calentamiento al sistema de bomba de calor; un medio de determinación para determinar la carga de calor del terminal de calentamiento; un medio de regulación continua de la temperatura para regular la temperatura continua del agua caliente suministrada al terminal de calentamiento; un medio de regulación de la temperatura de retorno para regular la temperatura de retorno del agua caliente descargada del terminal de calentamiento; y un medio de control para controlar los medios de regulación de la temperatura en curso y los medios de regulación de la temperatura de retorno. Cuando los medios de determinación determinan que la carga de calentamiento ha disminuido, los medios de control comienzan a controlar los medios de regulación de la temperatura de retorno de tal manera que baje la temperatura de retorno, y luego comienza a controlar los medios de regulación de temperatura en curso de tal manera que baje la temperatura en curso.

El documento EP 2249098 (A1) divulga un dispositivo de suministro de agua caliente del tipo de almacenamiento de agua caliente que incluye una unidad de bomba de calor para calentar agua, un tanque de almacenamiento de agua caliente para almacenar agua caliente calentada por la unidad de bomba de calor, y un intercambiador de calor de suministro de agua caliente colocado de manera que se extienda aproximadamente en su totalidad en una dirección vertical del mismo y que recibe agua de un lado inferior del mismo y descarga agua caliente de un lado superior del mismo.

De acuerdo con un primer aspecto de la invención, se proporciona un sistema de almacenamiento de energía de agua caliente que comprende:

un recipiente de almacenamiento;

una bomba dispuesta, en uso, para bombear agua hacia y desde el recipiente de almacenamiento;

un intercambiador de calor que tiene una entrada y una salida y que está dispuesto, en uso, para recibir agua del recipiente de almacenamiento en la entrada y para sacar agua al recipiente de almacenamiento a través de la salida; una válvula de desvío dispuesta, en uso, para desviar una proporción de la salida de agua del intercambiador de calor de regreso a la entrada del intercambiador de calor, sin pasar por el recipiente de almacenamiento;

uno o más sensores de temperatura dispuestos, en uso, para medir la temperatura del agua dentro del sistema; y

un sistema de control,

estando el sistema de control dispuesto para controlar, basándose en al menos una medición de temperatura del agua dentro del sistema y la cantidad deseada de calor que el intercambiador de calor transferirá hacia o desde el agua:

(i) la bomba, de manera que se regule el caudal de agua; y

(ii) la válvula de desvío, de manera que se regule la proporción de agua que se desvía,

para mantener la temperatura de retorno del agua suministrada al recipiente de almacenamiento

dentro de un rango especificado mientras se transfiere la cantidad deseada de calor, y en el que:

(i) si el sistema está dispuesto para ser utilizado para calentamiento, y el rango especificado dentro del cual el sistema de control está dispuesto para mantener la temperatura de retorno significa la temperatura más baja consistente con asegurar que la temperatura de retorno sea igual o mayor que la temperatura máxima a la que está dispuesto el sistema para calentar un espacio, habitación, ambiente, agua u otro objetivo a calentar; y

(ii) si el sistema está dispuesto para ser utilizado para enfriamiento, y el rango especificado dentro del cual el sistema de control está dispuesto para mantener la temperatura de retorno significa la temperatura más alta consistente con asegurar que la temperatura de retorno sea igual o menor que la temperatura mínima a la que está dispuesto el sistema para enfriar un espacio, habitación, ambiente, agua u otro objetivo a enfriar.

El rango especificado puede ser un valor especificado con una tolerancia.

Como se usa en este documento, el término “desvío” se usa de manera bastante general para significar dirigir el agua lejos de un camino que de otro modo tomaría. En la técnica, “desviar” el agua en los sistemas de bomba de calor se usa a menudo para describir la dirección del agua lejos del intercambiador de calor solamente, y la dirección del agua hacia el intercambiador de calor se denomina recirculación. La definición más amplia se usa en este documento, que cubre tanto la “desviación” como la “recirculación”.

Se puede pensar en el recipiente de almacenamiento como un recipiente tampón. Ventajosamente, puede mejorar la eficiencia energética al permitir una operación más eficiente de un proceso de calentamiento y/o al permitir que se realice el calentamiento cuando la energía está disponible a un costo reducido (por ejemplo, tarifas fuera de horas pico/nocturnas) y luego almacenar esa energía hasta que se necesite.

Ventajosamente, el intercambiador de calor puede estar dispuesto para proporcionar calentamiento de espacios.

El experto entendería que la dirección de la transferencia de calor (hacia o desde el agua dentro del sistema) depende de si el sistema se está utilizando para calentar o enfriar, y que la “cantidad deseada de calor” depende de la temperatura al que el sistema está dispuesto para calentar o enfriar el espacio, la habitación, el medio ambiente, el agua u otro objetivo a calentar o enfriar, y el tamaño y la capacidad calorífica de ese objetivo, entre otros factores.

De manera equivalente, esto puede denominarse como controlar la bomba y la válvula de desvío basándose en al menos una temperatura medida y la temperatura deseada a alcanzar para un ambiente, habitación u otro objetivo de calentamiento/enfriamiento dispuesto para ser calentado/enfriado por el sistema, a fin de mantener la temperatura de retorno del agua suministrada al recipiente de almacenamiento dentro de un rango especificado mientras se permite mantener, alcanzar o aproximar la temperatura deseada, según corresponda.

El control tanto de la bomba como de la válvula de desvío permite que la temperatura de retorno se mantenga dentro del rango especificado mientras se sigue cumpliendo la carga de calentamiento o enfriamiento, que puede variar. Si la carga de calentamiento es muy pequeña, por ejemplo, solo se puede tomar un flujo muy pequeño de agua del recipiente de almacenamiento, en lugar de tomar un flujo establecido y desviar la mayor parte alrededor del intercambiador de calor como se hace en la técnica anterior.

La posibilidad de controlar la temperatura de retorno permite reducir la desestratificación dentro del recipiente de almacenamiento. Para el ejemplo de un sistema de calentamiento con un tubo de alimentación a través de la cual se devuelve el agua al recipiente de almacenamiento ubicado en o cerca del fondo del recipiente de almacenamiento, el rango especificado sería alrededor de 28 °C (más generalmente, alrededor de la temperatura deseada para el agua en el fondo del recipiente de almacenamiento). Reducir la desestratificación en comparación con los sistemas conocidos, es decir, mantener una diferencia mayor entre la temperatura del agua en la parte superior e inferior del recipiente de almacenamiento, puede permitir que el sistema COP se incremente.

Ventajosamente, el sistema puede reducir la desestratificación del agua. Esto puede resultar en una temperatura más alta en la parte superior del recipiente de almacenamiento para una temperatura promedio dada del agua en el mismo. Esto puede ayudar a asegurar que haya agua disponible a la temperatura alta deseada. Además, esto puede significar que se mantiene una temperatura más baja en el fondo del recipiente de almacenamiento, mejorando así la eficiencia cuando se usa una temperatura de condensación variable para el proceso de calentamiento.

Ventajosamente, el sistema puede reducir el volumen requerido del recipiente de almacenamiento para una demanda de energía dada en comparación con los sistemas de la técnica anterior.

Ventajosamente, el tubo de alimentación está ubicada en o cerca del fondo del recipiente de almacenamiento en las realizaciones en las que el sistema se usa para calentar. De esta manera, el agua más fría se devuelve más abajo en el recipiente, alineándose con la estratificación de temperatura natural del agua dentro del recipiente y reduciendo la desestratificación.

Ventajosamente, el tubo de alimentación está ubicada en o cerca de la parte superior del recipiente de almacenamiento en las realizaciones en las que el sistema se usa para enfriar. De esta manera, el agua más caliente se devuelve más arriba en el recipiente, alineándose con la estratificación de temperatura natural del agua dentro del recipiente y reduciendo la desestratificación.

En las realizaciones en las que el sistema es reversible, la dirección de la bomba puede ser reversible de modo que, para un recipiente de almacenamiento que tiene un tubo en o cerca de la parte superior y un tubo en o cerca de la parte inferior, cuyo tubo es el tubo de alimentación se puede seleccionar de acuerdo con el uso del sistema. Alternativa o adicionalmente, se pueden proporcionar dos bombas: una dispuesta para bombear fluido en el sentido de las agujas del reloj y la otra para bombear fluido en el sentido contrario a las agujas del reloj alrededor del sistema. Al calentar, una bomba puede estar activa y la otra dejarse abierta para que el agua pueda fluir libremente a través de ella. Cuando se enfría, esta disposición puede invertirse de modo que la bomba previamente abierta esté activa y la bomba previamente activa esté abierta.

Ventajosamente, la válvula de desvío puede disponerse de modo que el agua desviada se combine con el agua recién extraída del recipiente de almacenamiento antes de entrar en la bomba. De esta manera, incluso si solo se necesita una pequeña cantidad de agua recién extraída del recipiente de almacenamiento para cumplir con los requisitos de calentamiento, la bomba mantiene un rendimiento significativo. Esto es ventajoso ya que muchas bombas tienen un ajuste de caudal mínimo y encender y apagar una bomba puede desperdiciar energía.

En algunas realizaciones, una segunda válvula de desvío puede ser beneficiosa en los casos en los que la bomba tiene un rendimiento mínimo distinto de cero. Dichos sistemas pueden tener una segunda válvula de desvío dispuesta, en uso, para dirigir una proporción del agua desde la salida de la bomba directamente hacia la entrada de la bomba, sin pasar por el intercambiador de calor o volver a entrar en el recipiente de almacenamiento, cuando de lo contrario, el rendimiento mínimo de la bomba estaría en, por debajo o cerca de su rendimiento mínimo.

Ventajosamente, esto puede eliminar la necesidad de encender y apagar la bomba, lo que probablemente reducirá la eficiencia del sistema.

En los casos con una segunda válvula de desvío, el sistema de control puede disponerse, en uso, para controlar la segunda válvula de desvío en función de al menos una de las temperaturas del agua que entra en el intercambiador de calor, el caudal de agua a través de la bomba, y la cantidad deseada de calor a transferir.

Ventajosamente, esto puede facilitar que se alcance o mantenga una temperatura establecida sin encender y apagar la bomba, y mientras se minimiza o reduce la desestratificación dentro del recipiente de almacenamiento en comparación con los sistemas de la técnica anterior.

De acuerdo con un segundo aspecto de la invención, se proporciona un sistema de control para un sistema de almacenamiento de energía de agua caliente que tiene un recipiente de almacenamiento, un intercambiador de calor que tiene una entrada y una salida, una bomba, al menos un sensor de temperatura dispuesto, en uso, para medir la temperatura del agua dentro del sistema de almacenamiento de energía de agua caliente, y un válvula de desvío dispuesta, en uso, para desviar una proporción de la salida de agua del intercambiador de calor de regreso a la entrada del intercambiador de calor;

el sistema de control está dispuesto para:

control, basado en al menos una medición de temperatura del agua dentro del sistema y la cantidad deseada de calor que el intercambiador de calor transferirá hacia o desde el agua:

(i) la bomba, de manera que se regule el caudal de agua; y

(ii) la válvula de desvío, de manera que se regule la proporción de agua que se desvía,

para mantener la temperatura de retorno del agua suministrada al recipiente de almacenamiento dentro de un rango especificado mientras se transfiere la cantidad deseada de calor, y en el que:

(i) si el sistema de control está dispuesto para ser utilizado para calentamiento, el rango especificado significa la temperatura más baja consistente con asegurar que la temperatura de retorno sea igual o mayor que la temperatura máxima a la que el sistema esté dispuesto para calentar un espacio, habitación, ambiente, agua u otro objetivo a calentar; y

(ii) si el sistema de control está dispuesto para usarse para enfriamiento, y el rango especificado significa la temperatura más alta consistente con asegurar que la temperatura de retorno sea igual o menor que la temperatura mínima a la que el sistema está dispuesto para enfriar un espacio, habitación, ambiente, agua u otro objetivo a enfriar. El sistema de control puede comprender comunicaciones por cable y/o inalámbricas con el sensor o sensores de temperatura, la bomba y la válvula de desvío. También se pueden integrar en el sistema uno o más sensores de caudal.

De acuerdo con un tercer aspecto de la invención, se proporciona un método para controlar un sistema de almacenamiento de energía de agua caliente que tiene un recipiente de almacenamiento, un intercambiador de calor que tiene una entrada y una salida, una bomba, al menos un sensor de temperatura dispuesto, en uso, para medir la temperatura del agua dentro del sistema de almacenamiento de energía de agua caliente, y una válvula de desvío, el método comprende:

bombear agua desde el recipiente de almacenamiento hasta la entrada del intercambiador de calor;

desviar, utilizando la válvula de desvío, una proporción del agua de la salida del intercambiador de calor de nuevo a la entrada del intercambiador de calor; y

devolver el agua que no se desvía de la salida del intercambiador de calor al recipiente de almacenamiento, el método comprende además controlar, en base a al menos una medición de temperatura del agua dentro del sistema y la cantidad deseada de calor a ser transferido hacia o desde el agua por el intercambiador de calor:

(i) la bomba, de manera que se regule el caudal de agua que entra en el intercambiador de calor; y

(ii) la válvula de desvío de modo que se regule la proporción de agua que se desvía de nuevo a la entrada del intercambiador de calor,

para mantener la temperatura de retorno del agua suministrada a el tubo de alimentación del recipiente de almacenamiento dentro de un rango especificado mientras se transfiere la cantidad deseada de calor, y en el que: (i) si el sistema está dispuesto para ser utilizado para calentamiento, el rango especificado significa la temperatura más baja consistente con asegurar que la temperatura de retorno sea igual o mayor que la temperatura máxima a la que el sistema está dispuesto a calentar un espacio, habitación, ambiente, agua u otro objetivo a calentar; y (ii) si el sistema está dispuesto para ser utilizado para enfriamiento, y el rango especificado significa la temperatura más alta consistente con asegurar que la temperatura de retorno sea igual o menor que la temperatura mínima a la que está dispuesto el sistema para enfriar un espacio, habitación, ambiente, agua u otro objetivo a enfriar.

De acuerdo con un cuarto aspecto de la invención, se proporciona un medio legible por ordenador que contiene instrucciones que, cuando son leídas por un procesador, hacen que ese procesador implemente el método del tercer aspecto de la invención.

Las características descritas en relación con uno de los aspectos anteriores de la invención pueden aplicarse, mutatis mutandis, al otro aspecto de la invención. Además, las características descritas se pueden aplicar al o cada aspecto en cualquier combinación.

A continuación, se presenta ahora a modo de ejemplo sólo una descripción detallada de las realizaciones de la presente invención con referencia a los dibujos adjuntos en los que:

La figura 1 muestra una vista esquemática de un sistema de calentamiento o enfriamiento de una realización de la invención; y

Las figuras 2A a 2D muestran cuatro diseños alternativos de tubo perforada adecuados para su uso en realizaciones de la invención.

En la implementación de ejemplo descrita con respecto a la Figura 1, se dispone una válvula de desvío para permitir que el agua recircule a través de un intercambiador de calor, sin pasar por un recipiente de almacenamiento.

La figura 1 muestra un sistema 100 de almacenamiento de energía de agua caliente. El sistema 100 incluye un recipiente 102 de almacenamiento, que puede describirse como un amortiguador.

Cuando se usa para calentar, el recipiente 102 de almacenamiento recibe energía en forma de introducción directa de agua caliente, un calentador de agua tal como un calentador de inmersión o un intercambiador de calor. El experto en la materia apreciaría que la presente invención puede tener una utilidad particular en la que el agua en el recipiente 102 de almacenamiento se calienta usando una temperatura de condensación no constante, y en particular una temperatura de condensación que aumenta con la temperatura del agua de manera que la temperatura de condensación más baja posible se utiliza durante todo el proceso de calentamiento, como se describe en la solicitud anterior del inventor, WO 2015/155543.

Cuando se usa para enfriar, el recipiente 102 de almacenamiento está provisto de un medio de extracción de energía en forma de introducción directa de agua fría o un intercambiador de calor. El experto en la materia apreciaría que la presente invención puede tener una utilidad particular en la que el agua en el recipiente 102 de almacenamiento se enfría usando una temperatura de evaporación no constante, y en particular una temperatura de evaporación que disminuye con la temperatura del agua de tal manera que la temperatura de evaporación más alta posible se utilice durante todo el proceso de enfriamiento, como se describe en la solicitud anterior del inventor, WO 2015/155543.

Por lo tanto, la eficacia del calentamiento (o enfriamiento) del agua dentro del recipiente 102 de almacenamiento puede aumentarse significativamente en un sistema de calentamiento (o enfriamiento) que incorpora la presente invención.

El recipiente 102 de almacenamiento tiene un tubo 104 de alimentación a través del cual entra agua en el recipiente de almacenamiento y un tubo 110 de salida a través del cual el agua sale del recipiente de almacenamiento.

En la realización mostrada, el sistema 100 está dispuesto para proporcionar calentamiento; el tubo 104 de alimentación es el tubo ubicado cerca del fondo del recipiente 102 de almacenamiento, y el tubo 110 de salida es el tubo ubicado cerca de la parte superior del recipiente 102 de almacenamiento, de modo que se extrae agua más caliente.

El tubo 104 de alimentación está ubicado en una región inferior del recipiente 102 de almacenamiento y está destinado a llevar agua relativamente fría (a menudo a alrededor de 28 °C) al recipiente 102 de almacenamiento. El tubo 110 de salida está ubicado en una región superior del recipiente de almacenamiento y está destinado a transportar agua relativamente caliente (a menudo alrededor de 50-60 °C) fuera del recipiente 102 de almacenamiento. La introducción de agua más fría en el fondo ayuda a reducir la desestratificación. El agua más caliente se acumula naturalmente en la parte superior del recipiente 102 de almacenamiento, por lo que el tubo 110 de salida está dispuesto para sacar agua caliente de la porción superior.

Si o cuando el sistema 100 está dispuesto para proporcionar enfriamiento, las posiciones de entrada 104 y salida 110 se invierten y se saca agua más fría y se devuelve agua más caliente. Para mayor facilidad, el sistema 100 se describe a continuación con referencia a proporcionar calentamiento. El experto en la materia entendería que se aplicarían los mismos principios si el sistema 100 se usara para enfriar, con la dirección del flujo de fluido y calor (como lo indican las flechas en la Figura 1) simplemente invirtiéndose.

De manera similar, el sistema de la Figura 1 se describe con respecto al calentamiento de espacios o habitaciones, pero la persona experta entendería que se podrían lograr otras formas de calentamiento con el mismo sistema. Por ejemplo, calentar (o enfriar) agua o un fluido refrigerante. Además, podría usarse un líquido alternativo o adicional dentro del sistema 100 en lugar de agua o mezclado con el agua, por ejemplo, un refrigerante, un agente anticorrosión y/o un agente antibacteriano.

En la realización mostrada, el intercambiador 152 de calor es un calentador de unidad de manejo de aire, dispuesto para calentar una habitación. En realizaciones alternativas o adicionales, el intercambiador 152 de calor puede ser de un tipo diferente y/o puede estar dispuesto para calentar un objetivo diferente. Por ejemplo, el intercambiador 152 de calor puede ser parte de una unidad de manejo de aire diferente, un sistema de calentamiento por radiador u otro sistema de calentamiento de espacios.

El sistema 100 tiene una bomba 151, un intercambiador 152 de calor y un sistema de control.

La bomba 151 toma agua del recipiente 102 de almacenamiento a través del tubo 110 de salida y la bombea a la entrada del intercambiador 152 de calor. En la realización mostrada, la bomba 151 está ubicada entre el tubo 110 de salida del recipiente 102 de almacenamiento y la entrada del intercambiador 152 de calor. En realizaciones alternativas, la bomba 151 puede colocarse en otra parte del circuito de intercambio de calor, y/o pueden proporcionarse múltiples bombas. La bomba 151 es capaz de bombear agua a diferentes caudales y puede controlarse para ajustar el caudal. La bomba 151 se controla mediante un accionamiento de velocidad variable (inversor) en el ejemplo mostrado.

El intercambiador 152 de calor usa agua caliente del recipiente 102 de almacenamiento para calentar el aire circundante, y el agua más fría se devuelve al recipiente 102 de almacenamiento. El intercambiador 152 de calor puede ser simplemente uno o más radiadores (es decir, calentadores de convección) en este ejemplo. En ejemplos alternativos, el intercambiador 152 de calor puede usar agua caliente del recipiente 102 de almacenamiento para calentar un segundo medio, por ejemplo, agua o un refrigerante.

El sistema también tiene una válvula 158 de desvío. La válvula 158 de desvío está dispuesta para dirigir una porción del agua que sale del intercambiador 152 de calor de regreso a la entrada del intercambiador de calor. De esta manera, una porción del agua del recipiente 102 de almacenamiento se recircula a través del intercambiador 152 de calor una o más veces antes de ser devuelta al recipiente de almacenamiento.

En casos limitantes, la proporción de agua desviada puede ser tan baja como 0 % o tan alta como 100 % del flujo total de agua.

Los componentes del sistema están conectados por tubos. Los tubos conectan el tubo 110 de salida del recipiente 102 de almacenamiento a la entrada del intercambiador 152 de calor y la salida del intercambiador de calor al tubo 104 de alimentación del recipiente de almacenamiento. Se proporciona un tubo adicional entre la válvula 158 de desvío, que está en el tubo entre la salida del intercambiador de calor y el tubo 104 de alimentación del recipiente de almacenamiento, y el tubo entre el tubo 110 de salida del recipiente 102 de almacenamiento y la entrada del intercambiador 152 de calor.

La válvula 158 de desvío está motorizada. La válvula 158 de desvío controla qué proporción del agua que sale del intercambiador 152 de calor regresa a la entrada del intercambiador de calor, y qué proporción regresa directamente al recipiente 102 de almacenamiento. El agua que se dirige de regreso a la entrada del intercambiador 152 de calor se combina con agua recién extraída del recipiente 102 de almacenamiento antes de volver a entrar en el intercambiador 152 de calor. La motorización de la válvula 158 de desvío permite que las proporciones sean ajustadas automáticamente por el sistema de control.

El sistema de control comprende conexiones 130 entre uno o más sensores de temperatura 120a-c, la válvula 158 de desvío motorizada y la bomba 151 de velocidad variable y uno o más procesadores. Los uno o más procesadores están dispuestos para controlar la bomba 152 y la válvula 158 de desvío para regular la salida de calentamiento/enfriamiento y la temperatura de retorno. Por lo tanto, el procesador controla uno o más bucles de retroalimentación, cambiando la acción de la válvula 158 de desvío y/o la bomba 151 en respuesta a los datos de temperatura y la carga de calentamiento/enfriamiento deseada y la temperatura del agua de retorno.

También se pueden utilizar uno o más sensores de caudal en algunas realizaciones, y sus lecturas se introducen en los procesadores.

Las líneas 130 curvas representan conexiones a un controlador digital (no mostrado), a diferencia de las líneas rectas que representan tubos. Las conexiones pueden ser cableadas o inalámbricas, p. ej. WiFi o Bluetooth®. Las conexiones y el controlador digital son un ejemplo de un sistema de control para usar con el sistema de almacenamiento de energía que se muestra.

Ventajosamente, el agua recirculada se combina con el agua recién extraída del recipiente 102 de almacenamiento antes de entrar en la bomba 151. De esta manera, incluso si solo se necesita una pequeña cantidad de agua recién extraída del recipiente 102 de almacenamiento para cumplir los requisitos de calentamiento, la bomba 151 mantiene un rendimiento significativo. Esto es una ventaja ya que muchas bombas tienen un ajuste de caudal mínimo y encender y apagar una bomba puede desperdiciar energía. En un caso extremo, el 100 % del agua que sale del intercambiador 152 de calor se puede devolver a la entrada del intercambiador de calor, y no se puede devolver agua al recipiente 102 de almacenamiento.

El sistema 100 comprende al menos un sensor 120a, 120b, 120c de temperatura. El o cada sensor 120a, 120b, 120c de temperatura está dispuesto para medir la temperatura del agua dentro del sistema 100 en un punto especificado. En la realización mostrada, se proporcionan tres sensores de temperatura.

El primer sensor 120a de temperatura está dispuesto entre la salida del recipiente 102 de almacenamiento y el punto en el que el agua recirculada se combina con el agua recién extraída del recipiente de almacenamiento. El primer sensor 120a de temperatura proporciona una medición de la temperatura del agua extraída del recipiente 102 de almacenamiento (con posibles pérdidas de intercambio de calor a lo largo del tubo).

El segundo sensor 120b de temperatura está dispuesto entre el punto en el que el agua recirculada se combina con el agua recién extraída del recipiente 102 de almacenamiento y el intercambiador 152 de calor. El segundo sensor 120b de temperatura proporciona una medición de la temperatura del agua que entra en el intercambiador de calor (con posibles pérdidas de intercambio de calor a lo largo del tubo).

El tercer sensor 120c de temperatura está dispuesto entre la salida del intercambiador 152 de calor y el tubo 104 de alimentación que devuelve el agua al recipiente 102 de almacenamiento. El tercer sensor 120c de temperatura proporciona una medición de la temperatura del agua que regresa a el recipiente 102 de almacenamiento (con posibles pérdidas por intercambio de calor a lo largo del tubo).

Se pueden proporcionar más o menos sensores de temperatura en otras realizaciones, y/o se puede cambiar la posición de cada sensor de temperatura.

En todos los casos, las pérdidas por intercambio de calor a lo largo de los tubos se pueden calcular si se proporciona información sobre las dimensiones del tubo, los materiales, el aislamiento y similares, y una medida de la temperatura exterior. Del mismo modo, para un intercambiador de calor dado, la temperatura del medio o espacio a calentar, el caudal a través del intercambiador de calor y la temperatura del agua en la entrada del intercambiador de calor, la temperatura de salida del agua se puede calcular desde el intercambiador de calor.

Por lo tanto, una medición de temperatura tomada en un punto del sistema 100 puede usarse para calcular una temperatura en otra posición, como se ilustra mediante los ejemplos proporcionados anteriormente.

El experto comprenderá que, con un conocimiento suficientemente detallado del sistema 100 (incluidas las propiedades de los componentes, los caudales y las pérdidas/ganancias de calor) y de la temperatura externa, la temperatura del agua en cualquier punto en el sistema 100 se puede calcular a partir de la temperatura del agua en cualquier otro punto (excluyendo los puntos dentro del recipiente 102 de almacenamiento que no están en o cerca de la salida o entrada, ya que los efectos de convección y turbulencia pueden hacer que tales cálculos sean intratables en un plazo razonable de tiempo, si es que es soluble, con los datos y la potencia de cálculo disponibles en la actualidad). Por lo tanto, se puede colocar alternativamente un solo sensor 120 de temperatura en cualquier punto alrededor del sistema 100.

El sistema de control está dispuesto para controlar el caudal a través de la bomba 151 y la proporción de agua recirculada a través del intercambiador 152 de calor en respuesta a las mediciones de temperatura.

Un sensor 120a-c de temperatura detecta la temperatura del agua dentro del sistema 100. El sistema de control ajusta el caudal de la bomba 151 y/o la proporción de agua desviada por la válvula 158 de desvío en respuesta a la temperatura medida.

Si la temperatura del agua de retorno se desvía significativamente por encima de la temperatura deseada/óptima:

i. la bomba 151 se ralentiza para reducir el caudal. A un caudal reducido, se pierde más calor de cada unidad de agua que pasa a través del intercambiador 152 de calor, ya que su tiempo de permanencia es mayor dentro del intercambiador de calor (hasta un caudal mínimo en el que se equilibren las temperaturas en los dos lados del intercambiador de calor; en realidad, es poco probable que esto ocurra en la mayoría de los sistemas de calentamiento domésticos o comerciales); y/o

ii. la válvula 158 de desvío se ajusta para aumentar la cantidad de agua recirculada a través del intercambiador 152 de calor de modo que se pueda perder más calor del agua.

Si se reduce la velocidad de bombeo sin cambiar la proporción de agua recirculada, se toma menos agua caliente del recipiente 102 de almacenamiento.

Si la temperatura del agua de retorno se desvía significativamente por debajo de la temperatura deseada/óptima:

i. la bomba 151 se acelera para aumentar el caudal. A un caudal aumentado, se pierde menos calor de cada unidad de agua que pasa a través del intercambiador 152 de calor, ya que su tiempo de permanencia es más corto dentro del intercambiador de calor; y/o

ii. la válvula 158 de desvío se ajusta para reducir la cantidad de agua recirculada a través del intercambiador 152 de calor de modo que se pierda menos calor del agua.

Si se aumenta el caudal de bombeo sin cambiar la proporción de agua recirculada, se extrae más agua caliente del recipiente 102 de almacenamiento.

En cualquier caso, el equilibrio entre las opciones (i) y (ii) se selecciona para permitir que se alcance o mantenga la temperatura deseada/óptima del objetivo a calentar. El control de dos variables permite controlar tanto la temperatura de retorno como la cantidad de calor transferido. Por el contrario, los sistemas de la técnica anterior con una sola válvula de desvío solo podrían usarse para controlar la temperatura de retorno si se aceptaba un efecto correspondiente sobre la transferencia de calor.

Además del sensor 120a, 120b, 120c de temperatura que mide una temperatura dentro del sistema, también se usa una medición de la temperatura del ambiente u otro objetivo a calentar para controlar la válvula 158 de desvío y/o la bomba 151. Se proporciona al sistema 100 una lectura de temperatura de un sensor dentro del entorno. Alternativamente, se puede proporcionar un sensor de temperatura adicional que mida la temperatura del entorno u otro objetivo a calentar como parte del sistema 100 (no mostrado en la Figura 1). Por lo tanto, el experto comprenderá que el sensor de temperatura adicional en sí mismo puede ser parte del sistema 100 o proporcionarse por separado, pero en comunicación con el sistema 100.

El sensor de temperatura adicional (no mostrado) detecta la temperatura dentro del ambiente a calentar, por ej. un sensor de temperatura de espacios. La comparación de esta temperatura medida con la temperatura establecida solicitada por un usuario determina si se necesita más o menos calor (la cantidad deseada de calor que se transferirá del agua dentro del sistema 100 al aire en el ambiente a calentar puede, por lo tanto, calcule, en este ejemplo).

El sistema de control permite que la válvula 158 de desvío y la velocidad de la bomba 151 se ajusten según sea apropiado. La válvula 158 de desvío recircula una proporción más pequeña del agua a través del intercambiador 152 de calor cuando la carga de calentamiento es mayor, ya que es ventajoso tener más agua caliente recién extraída del recipiente 102 de almacenamiento en este caso. En los casos en los que la temperatura medida es igual o superior al valor establecido, toda o sustancialmente toda el agua puede recircular a través del intercambiador 152 de calor, y puede tomarse menos agua, si la hay, del recipiente 102 de almacenamiento.

Las realizaciones de la invención utilizadas para calentar tienen como objetivo mantener la temperatura del agua de retorno lo más baja posible, dadas las limitaciones del sistema y la temperatura ambiente, para evitar la desestratificación del agua dentro del recipiente 102 de almacenamiento, y/o para mejorar el funcionamiento de la bomba de calor para calentamiento. En algunos casos, se puede establecer un límite inferior para evitar la congelación y/o para evitar temperaturas que podrían ser perjudiciales para los componentes del sistema.

Las realizaciones de la invención utilizadas para el enfriamiento tienen como objetivo mantener la temperatura del agua de retorno lo más alta posible, dadas las limitaciones del sistema y la temperatura ambiente, para evitar la desestratificación del agua dentro del recipiente 102 de almacenamiento. En algunos casos, se puede establecer un límite superior para evitar que el agua hierva en los tubos y/o para evitar temperaturas que podrían ser peligrosas en el caso de una fuga y/o perjudiciales para los componentes del sistema.

Mantener la temperatura de retorno lo más baja posible (sistema de calentamiento) o lo más alta posible (sistema de enfriamiento) puede describirse como mantener la temperatura del agua dentro de un rango especificado. El rango especificado variará dependiendo de uno o más de los factores de la siguiente lista:

(i) uso del sistema (por ejemplo, calentamiento o enfriamiento);

(ii) temperatura ambiente/temperatura del entorno circundante;

(iii) la temperatura deseada a alcanzar en el objetivo de calentamiento/enfriamiento;

(iv) configuración del sistema;

(v) establecer tolerancias; y/o

(vi) aislamiento del sistema.

El rango especificado puede ser establecido por un usuario o establecido automáticamente por el sistema de control en base a la temperatura establecida, deseada, y la temperatura ambiente medida.

Las temperaturas mostradas en la Figura 1 se proporcionan únicamente a modo de ejemplo. En este ejemplo, el agua cerca del fondo del recipiente 102 se mantiene a aproximadamente 28 °C y el agua cerca de la parte superior del recipiente a aproximadamente 50 °C. El sensor 120a de temperatura mide la temperatura del agua que sale de la parte superior del recipiente 102, por lo que mide una temperatura en o cerca de 50 °C asumiendo pérdidas mínimas de calor de los tubos. El sensor de temperatura 102b mide la temperatura del agua que entra en el intercambiador 152 de calor. En este ejemplo, la temperatura medida por el sensor 120b es de alrededor de 40 °C, ya que el agua más caliente del recipiente 102 se ha mezclado con un poco de agua más fría de la salida del intercambiador 152 de calor. El tercer sensor 120c de temperatura mide la temperatura del agua que sale del intercambiador de calor, que se controla para que sea de alrededor de 28 °C en este ejemplo, para mantener la temperatura del agua en la región inferior del recipiente 102 de almacenamiento.

En al menos algunas realizaciones, el tubo 104 de alimentación y/o el tubo 110 de salida tienen una porción de tubo que se extiende dentro del recipiente 102 de almacenamiento. La porción del tubo dentro del recipiente puede tener perforaciones y, por lo tanto, puede describirse como un tubo perforado.

Tener una pluralidad de orificios (perforaciones) relativamente pequeños en la parte perforada da como resultado que el agua que entra en el recipiente de almacenamiento se distribuya en lugar de formar un solo chorro. El ángulo de los orificios con respecto al tubo de alimentación se alinea con las corrientes de convección dentro de un recipiente 102 de almacenamiento de agua de manera que el agua más caliente se dirige hacia la parte superior del recipiente de almacenamiento y el agua más fría se dirija hacia el fondo del recipiente de almacenamiento. Estas características reducen la desestratificación del agua dentro del recipiente de almacenamiento, lo que permite que la temperatura del agua en la porción inferior del recipiente de almacenamiento se mantenga baja en relación con la temperatura en la porción superior.

El extremo del tubo 104 de alimentación dentro del recipiente 102 de almacenamiento puede estar abierto o cerrado. En realizaciones en las que el extremo del tubo está cerrado, el área total de la pluralidad de orificios es preferiblemente mayor que el área de la sección transversal del tubo. En realizaciones en las que el extremo del tubo está abierto, los orificios proporcionan rutas adicionales para que el agua salga del tubo, y el área total de la pluralidad de orificios puede ser o no mayor que el área de la sección transversal del tubo.

Ventajosamente, en cualquier caso, la velocidad a la que el agua de retorno entra en el recipiente 102 de almacenamiento se reduce por lo tanto en comparación con los tubos de alimentación de la técnica anterior, perturbando menos el agua dentro del recipiente de almacenamiento y reduciendo aún más la desestratificación.

El recipiente de almacenamiento de energía de agua caliente puede tener además un tubo de salida dispuesto en uso, para llevar el agua fuera del recipiente de almacenamiento; teniendo el tubo de salida una porción perforada que se extiende hacia el interior del recipiente de almacenamiento, teniendo la porción perforada una pluralidad de orificios de un área menor que una cuarta parte del área de la sección transversal del tubo.

Ventajosamente, la porción perforada permite que el agua se extraiga en una variedad de ubicaciones en lugar de todas a través de una única entrada de tubo, reduciendo así la interrupción de las corrientes de convección dentro del recipiente de almacenamiento.

En cuanto a el tubo 104 de alimentación, el extremo de la salida el tubo 110 dentro del recipiente de almacenamiento puede estar abierto o cerrado. En realizaciones en las que el extremo del tubo está cerrado, el área total de la pluralidad de orificios es preferiblemente mayor que el área de la sección transversal del tubo. En realizaciones en las que el extremo del tubo está abierto, los orificios proporcionan rutas adicionales para que el agua entre en el tubo, y el área total de la pluralidad de orificios puede ser o no mayor que el área de la sección transversal del tubo.

Ventajosamente, en cualquier caso, la velocidad a la que el agua entra en el tubo de salida del recipiente de almacenamiento se reduce por tanto en comparación con los tubos de salida de la técnica anterior, perturbando menos el agua dentro del recipiente de almacenamiento y reduciendo aún más la desestratificación.

En las Figuras 2A a 2D se muestran ejemplos no limitantes de tubos 304a, 304b, 304c, 304d perforados (denominados colectivamente 304) que son adecuados para su uso con recipientes 102 de almacenamiento de realizaciones de la invención.

Cada tubo 304 perforado tiene un extremo abierto (no mostrado) fuera del recipiente 102 de almacenamiento que conecta el tubo a un circuito de intercambio de calor y un segundo extremo 306 dentro del recipiente 102 de almacenamiento. El tubo 304 perforado no tiene perforaciones (es decir sin agujeros en la pared del tubo) fuera del recipiente 102 de almacenamiento, y se puede considerar como un tubo con una porción 304 perforada. La longitud y forma de la porción no perforada variará dependiendo de la configuración del sistema, como sería entendido por la persona experta.

Los términos “agujero” y “perforación” se usan indistintamente en este documento. Se apreciará que los agujeros (perforaciones) pueden no realizarse perforando la pared del tubo. Por ejemplo, se puede hacer un tubo (por ejemplo, mediante moldeo o fundición) con los orificios en su lugar en lugar de perforarla después de la fabricación. Por lo tanto, el término “tubo perforado” está destinado a cubrir cualquier tubo con una pluralidad de orificios en sus paredes, tanto si estos orificios se hicieron mediante la perforación de una pared de tubo inicialmente sin perforar como si no.

En la realización que se describe, el tubo 304 perforado es un solo componente. En realizaciones alternativas o adicionales, el tubo 304 perforado comprende dos o más porciones de tubo conectadas.

En las realizaciones que se describen, el tubo 304 perforado es al menos sustancialmente cilíndrico. La persona experta comprendería que se pueden usar otras formas de tubo; por ejemplo, secciones de tubo cuboides.

En realizaciones como la que se muestra en las Figuras 2A y 2B, el segundo extremo 306a, b del tubo 304a, b perforado está cerrado, pero tiene agujeros 308 de manera que una porción del área de la sección transversal del tubo 304a, b está abierta al recipiente 102 de almacenamiento.

En realizaciones como la que se muestra en la Figura 2C, el segundo extremo 306c del tubo 304c perforado está abierto, de modo que toda el área de la sección transversal del tubo 304c está abierta al recipiente 102 de almacenamiento.

En realizaciones como la que se muestra en la Figura 2D, el segundo extremo 306d del tubo 304d perforado está cerrado y no tiene perforaciones, de modo que toda el área de la sección transversal del tubo 304d está cerrada y el agua no puede pasar a través de él.

En las realizaciones mostradas, las perforaciones 308 son todas al menos sustancialmente circulares. Ventajosamente, las perforaciones circulares no tienen esquinas, que pueden ser puntos débiles para la formación de grietas. El experto en la materia comprendería que se pueden utilizar formas de perforación alternativas, por ejemplo, óvalos, cuadrados, triángulos o cualquier otra forma regular o irregular. Adicional o alternativamente, la forma puede variar entre perforaciones en el mismo tubo.

En las realizaciones mostradas, las perforaciones 308 son todas al menos sustancialmente del mismo tamaño. En realizaciones adicionales o alternativas, los tamaños pueden variar entre las perforaciones 308 en el mismo tubo.

En las realizaciones mostradas, las perforaciones 308 están dispuestas en líneas sustancialmente rectas a lo largo del tubo 304. En realizaciones alternativas, las perforaciones 308 pueden tener cualquier otra configuración, por ejemplo, en una sola línea recta, en una sola línea curva, en bloques o distribuidos aleatoriamente dentro de la porción perforada.

El flujo hacia los tubos 304 está marcado por la flecha negra gruesa en las Figuras 2A a 2D. Los ejemplos de flujo fuera de los tubos 304 están marcados por las flechas negras delgadas en las Figuras 2A a 2D. Se apreciará que, en la mayoría de las realizaciones, el agua saldrá de la mayoría o de todos los agujeros 308.

En los ejemplos mostrados en las Figuras 2A y 2C, las perforaciones 308 están en ángulo horizontal o hacia arriba con respecto al tubo 304a, c. Ventajosamente, los tubos 304 de alimentación con perforaciones 308 en ángulo de esta manera se utilizan en realizaciones de la invención en las que el agua que entra en el recipiente 102 de almacenamiento está más caliente que la temperatura promedio del agua dentro del recipiente 102 de almacenamiento. Dirigir el agua más caliente hacia arriba puede ayudar para alinear el flujo con las corrientes de convección dentro del recipiente 102 de almacenamiento. En tales realizaciones alternativas, todas las perforaciones 308 pueden estar inclinadas hacia arriba, sin que ninguna sea horizontal.

En los ejemplos que se muestran en las Figuras 2B y 2D, las perforaciones 308 están en ángulo horizontal o hacia abajo con respecto al tubo 304b, d. Ventajosamente, los tubos 304 con perforaciones 308 en ángulo de esta manera se utilizan en realizaciones de la invención en las que el agua que entra en el recipiente 102 de almacenamiento es más fría que la temperatura media del agua dentro del recipiente 102 de almacenamiento. Dirigir el agua más fría hacia abajo puede ayudar a alinear el flujo con las corrientes de convección dentro del recipiente 102 de almacenamiento. En tales realizaciones alternativas, todas las perforaciones 308 pueden estar inclinadas hacia abajo, sin que ninguna sea horizontal.

En las realizaciones que se describen, las perforaciones 308 son pequeñas en comparación con el área de la sección transversal del tubo 304. Ventajosamente, introducir agua en los recipientes de almacenamiento en una pluralidad de chorros distribuidos más pequeños (un chorro por perforación) a diferencia de en un solo chorro (a través de un extremo abierto de un tubo de la técnica anterior) reduce aún más la interrupción de las corrientes de convección dentro del recipiente 102 de almacenamiento. Aquí, “pequeño” significa que tiene un área de no más de un cuarto del área de la sección transversal del tubo 304. Preferiblemente, las perforaciones 308 tienen un diámetro (o la dimensión más larga, en el caso de perforaciones no circulares) de no más de una quinta parte, o más preferiblemente una décima parte del diámetro del tubo (o la dimensión de sección transversal más larga, en el caso de tubos con una sección transversal no circular).

En al menos algunas de las realizaciones que se describen, el área total del orificio (área total de perforación 308, más el área de sección transversal abierta del tubo 306c cuando sea aplicable) es mayor que el área de sección transversal total del tubo. Ventajosamente, el área aumentada significa que la velocidad del agua que sale del tubo 304 hacia el recipiente 102 de almacenamiento es menor que la del agua que ingresa al tubo 304 desde el resto del sistema 100 de intercambio de calor.

La persona experta apreciaría que la orientación de las perforaciones en el tubo 110 de salida probablemente tenga un efecto menor sobre las corrientes de convección que el de las perforaciones en el tubo 104 de alimentación en la mayoría de las realizaciones. Esto se debe a que cuando se expulsa un fluido de un agujero, se forma un chorro separado del fluido circundante por una fina capa de fluido turbulento. Por el contrario, cuando se succiona el mismo fluido en un agujero del mismo tamaño a la misma velocidad, el fluido entra en el agujero desde todas las direcciones, formando un flujo similar a un sumidero. A modo de metáfora, apagar una vela es fácil, ya que la respiración crea un chorro dirigido, mientras que succionar una vela no lo es.

En otros ejemplos, como la realización mostrada, las perforaciones 308 pueden estar orientadas hacia arriba tanto en el tubo 304 de alimentación como en el tubo 310 de salida. Por lo tanto, puede entrar agua más fría, que se hunde naturalmente con la corriente de convección que puede por lo tanto ingresar al tubo 310 de salida a medida que este desciende. El agua más caliente que entra en el recipiente 102 de almacenamiento a través del tubo 304 de alimentación puede dirigirse hacia arriba.

Claims (13)

REIVINDICACIONES

1. Un sistema (100) de almacenamiento de energía de agua caliente que comprende:

un recipiente (102) de almacenamiento;

una bomba (151) dispuesta, en uso, para bombear agua hacia y desde el recipiente (102) de almacenamiento; un intercambiador (152) de calor que tiene una entrada y una salida y que está dispuesto, en uso, para recibir agua del recipiente (102) de almacenamiento en la entrada y para sacar agua al recipiente (102) de almacenamiento a través de la salida;

una válvula (158) de desvío dispuesta, en uso, para desviar una proporción de la salida de agua del intercambiador (152) de calor de regreso a la entrada del intercambiador (152) de calor, sin pasar por el recipiente (102) de almacenamiento;

uno o más sensores (120a, 120b, 120c) de temperatura dispuestos, en uso, para medir una temperatura del agua dentro del sistema (100); y

un sistema (130) de control,

estando dispuesto el sistema (130) de control para controlar, basándose en al menos una medición de temperatura del agua dentro del sistema (100) y la cantidad deseada de calor que se transferirá hacia o desde el agua por el intercambiador (102) de calor:

(i) la bomba (151), de modo que el caudal de agua está regulado; y

(ii) la válvula (158) de desvío, de manera que se regule la proporción de agua que se desvía,

para mantener la temperatura de retorno del agua suministrada al recipiente (102) de almacenamiento dentro de un rango especificado mientras se transfiere la cantidad deseada de calor, y en la que:

(i) si el sistema (100) está dispuesto para ser utilizado para calentamiento, y el rango especificado dentro del cual el sistema (130) de control está dispuesto para mantener la temperatura de retorno significa la temperatura más baja consistente con asegurar que la temperatura de retorno sea igual o mayor que la temperatura máxima a la que el sistema (100) está dispuesto para calentar un espacio, habitación, ambiente, agua u otro objetivo a calentar; y (ii) si el sistema (100) está dispuesto para ser utilizado para enfriamiento, y el rango especificado dentro del cual el sistema (130) de control está dispuesto para mantener la temperatura de retorno significa la temperatura más alta consistente con asegurar que la temperatura de retorno sea igual o menor que la temperatura mínima a la que el sistema (100) está dispuesto para enfriar un espacio, habitación, ambiente, agua u otro objetivo a enfriar.

2. El sistema (100) de almacenamiento de energía de agua caliente de acuerdo con la reivindicación 1, en el que el sistema (100) está dispuesto para ser utilizado para calentamiento y el agua se devuelve al recipiente (102) de almacenamiento a través de un tubo (104) de alimentación, y el tubo de alimentación está ubicado en o cerca del fondo del recipiente (102) de almacenamiento.

3. El sistema (100) de almacenamiento de energía de agua caliente de acuerdo con la reivindicación 1, en el que el sistema (100) está dispuesto para ser utilizado para enfriar y el agua se devuelve al recipiente de almacenamiento a través de un tubo (110) de alimentación, y el tubo de alimentación está ubicado en o cerca de la parte superior del recipiente (102) de almacenamiento.

4. El sistema (100) de almacenamiento de energía de agua caliente de acuerdo con cualquier reivindicación precedente en el que el sistema (100) es reversible de manera que puede operar como un sistema de calentamiento o como un sistema de enfriamiento.

5. El sistema (100) de almacenamiento de energía de agua caliente de acuerdo con la reivindicación 4, en el que la bomba (151) está dispuesta para invertir la dirección en la que se bombea el agua para permitir que el sistema se invierta.

6. El sistema (100) de almacenamiento de energía de agua caliente de acuerdo con cualquier reivindicación anterior en el que la válvula (158) de desvío está dispuesta de manera que el agua desviada se combine con el agua recién extraída del recipiente (102) de almacenamiento antes de entraren la bomba (151).

7. El sistema (100) de almacenamiento de energía de agua caliente de acuerdo con cualquier reivindicación precedente que tiene una segunda válvula de desvío dispuesta, en uso, para dirigir una proporción del agua desde la salida de la bomba (151) de regreso a la entrada (151) de la bomba, sin pasar por el intercambiador (152) de calor ni volver a entrar en el recipiente (102) de almacenamiento.

8. El sistema de almacenamiento de energía de agua caliente de acuerdo con la reivindicación 2 o la reivindicación 3, en el que una porción del tubo de alimentación dentro del recipiente de almacenamiento tiene una pluralidad de pequeñas perforaciones dispuestas para hacer que el agua que entra al recipiente de almacenamiento se distribuya en lugar de formar un solo chorro, y en el que un ángulo de las perforaciones con respecto al tubo de alimentación está dispuesto para alinearse con las corrientes de convección dentro del recipiente de almacenamiento de agua de modo que el agua más caliente se dirija hacia la parte superior del recipiente de almacenamiento o el agua más fría se dirija hacia el fondo del recipiente de almacenamiento.

9. El sistema de almacenamiento de energía de agua caliente de acuerdo con la reivindicación 8, en el que el extremo del tubo de alimentación dentro del recipiente de almacenamiento está cerrado y en el que el área total de la pluralidad de perforaciones es mayor que el área de la sección transversal del tubo.

10. Un sistema (130) de control para un sistema (100) de almacenamiento de energía de agua caliente que tiene un recipiente (102) de almacenamiento, un intercambiador (152) de calor que tiene una entrada y una salida, una bomba (151), al menos un sensor (120a, 120b, 120c) de temperatura dispuesto, en uso, para medir una temperatura del agua dentro del sistema (100) de almacenamiento de energía de agua caliente, y una válvula (158) de desvío dispuesta, en uso, para desviar una proporción de la salida del agua desde el intercambiador (152) de calor de regreso a la entrada del intercambiador (152) de calor, sin pasar por el recipiente (102) de almacenamiento;

estando dispuesto el sistema (130) de control para:

control, basado en al menos una medición de temperatura del agua dentro del sistema (100) y la cantidad deseada de calor que el intercambiador (152) de calor transferirá hacia o desde el agua:

(i) la bomba (151), de manera que se regule el caudal de agua; y

(ii) la válvula (158) de desvío, de manera que se regule la proporción de agua que se desvía,

para mantener la temperatura de retorno del agua suministrada al recipiente (102) de almacenamiento dentro de un rango especificado mientras se transfiere la cantidad deseada de calor, y en el que:

(i) si el sistema de control está dispuesto para ser utilizado para calentamiento, el rango especificado significa la temperatura más baja consistente con asegurar que la temperatura de retorno es igual o mayor que la temperatura máxima para la cual el sistema está dispuesto para calentar un espacio, habitación, ambiente, agua u otro objetivo a calentar; y

(ii) si el sistema de control está dispuesto para ser utilizado para enfriamiento, y el rango especificado significa la temperatura más alta consistente con asegurar que la temperatura de retorno sea igual o menor que la temperatura mínima para la cual el sistema está dispuesto para enfriar un espacio, habitación, ambiente, agua u otro objetivo a enfriar.

11. El sistema de control de acuerdo con la reivindicación 10, en el que el sistema (130) de control está dispuesto para controlar una segunda válvula de desvío de modo que una proporción del agua de la salida de la bomba (151) se dirija directamente de regreso a la entrada de la bomba (151).

12. Un método para controlar un sistema (100) de almacenamiento de energía de agua caliente que tiene un recipiente (102) de almacenamiento, un intercambiador (152) de calor que tiene una entrada y una salida, una bomba (151), al menos un sensor (120a, 120b, 120c) de temperatura dispuesto, en uso, para medir una temperatura del agua dentro del sistema (100) de almacenamiento de energía de agua caliente, y una válvula (158) de desvío, comprendiendo el método:

bombear agua desde el recipiente (102) de almacenamiento a la entrada del intercambiador (152) de calor;

desviar, usando la válvula (158) de desvío, una proporción del agua desde la salida del intercambiador (152) de calor de regreso a la entrada del intercambiador de calor, sin pasar por el recipiente (102) de almacenamiento;

y

devolviendo el agua que no se desvía de la salida del intercambiador (152) de calor de regreso al recipiente (102) de almacenamiento,

el método comprende además controlar, basado en al menos una medición de temperatura del agua dentro del sistema (100) y la cantidad deseada de calor que se transferirá a o desde el agua por el intercambiador de calor:

(i) la bomba (151), de modo que el caudal de agua que entra en el intercambiador (152) de calor se regula; y (ii) la válvula (158) de desvío de manera que la proporción de agua que se desvía de regreso a la entrada del intercambiador (152) de calor es regulada,

para mantener la temperatura de retorno del agua suministrada al recipiente (102) de almacenamiento dentro de un rango especificado mientras se transfiere la cantidad deseada de calor, y en el que:

(i) si el sistema está dispuesto para ser utilizado para calentamiento, el rango especificado significa la temperatura más baja consistente con asegurar que la temperatura de retorno sea igual o mayor que la temperatura máxima a la que el sistema está dispuesto para calentar un espacio, habitación, ambiente, agua u otro objetivo a calentar; y (ii) si el sistema está dispuesto para ser utilizado para enfriamiento, y el rango especificado significa la temperatura más alta consistente con asegurar que la temperatura de retorno sea igual o menor que la temperatura mínima a la que el sistema está dispuesto para enfriar un espacio, habitación, ambiente, agua u otro objetivo a enfriar.

13. Un medio legible por ordenador que contiene instrucciones que, cuando son leídas por un procesador, hacen que ese procesador implemente el método de la reivindicación 12.