ES2894879T3 - Procedimiento y sistema para calentar el agua del grifo - Google Patents
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Abstract
Procedimiento para calentar agua del grifo (15) de un edificio desde una primera temperatura T1 a una segunda temperatura T2, que comprende una etapa de calentamiento, en la que el agua del grifo que entra es calentada con el calor de condensación liberado por una bomba de calor (2) en el agua de calentamiento (5) en su condensador (3), y el agua del grifo que ha sido calentada de esta manera es conducida a un depósito (11) de agua del grifo para ser conducida adicionalmente para su utilización, en el que - el agua del grifo es calentada en dicha etapa de calentamiento con la bomba de calor, de tal manera que el incremento de temperatura ΔT proporcionado entre el agua del grifo calentada y la que entra solo corresponde a una parte de la diferencia de temperatura total deseada T2 - T1, - dicha etapa de calentamiento se repite utilizando, como agua del grifo que entra, el agua del grifo que ya ha sido calentada en una etapa de calentamiento previa, y que es conducida desde la parte inferior del depósito (11) de agua del grifo, y devolviendo el agua del grifo que ha sido recalentada de esta manera a la parte superior del depósito de agua del grifo, de modo que se dispone una capa de agua del grifo recalentada sobre el agua del grifo que ha sido calentada en una etapa previa de calentamiento, hasta que sustancialmente todo el volumen de agua contenida en el depósito de agua del grifo es agua del grifo recalentada, - dicha etapa de calentamiento se repite de manera continuada hasta que se alcanza la temperatura deseada T2 del agua del grifo, y caracterizado por que - al conducir el agua del grifo para su utilización desde el depósito de agua del grifo, es calentada con agua caliente, que se calienta con el calor liberado por el gas caliente (4) de una bomba de calor, para garantizar una temperatura suficientemente alta del agua del grifo conducida para su utilización; en el que el agua del grifo que entra (15) y el agua de calentamiento (17) pueden ser calentadas con la misma bomba de calor.
Description
DESCRIPCIÓN
Procedimiento y sistema para calentar el agua del grifo
SECTOR TÉCNICO
La invención se refiere al calentamiento del agua del grifo en edificios, específicamente utilizando bombas de calor. ESTADO DE LA TÉCNICA ANTERIOR
El agua caliente del grifo es un elemento importante de consumo de energía en diferentes tipos de edificios, especialmente edificios residenciales. A nivel anual, puede constituir hasta el 70 % de toda la energía de calentamiento del edificio. Por lo tanto, resulta claro que existe una constante necesidad de soluciones para ahorrar energía en el calentamiento del agua del grifo en edificios.
En Finlandia, la temperatura del agua del grifo conducida desde la red municipal de suministro de agua hasta un inmueble es, habitualmente, de 5 a 8 °C. La temperatura requerida del agua caliente del grifo es normalmente, de aproximadamente 58 °C. Este incremento de temperatura de más de cincuenta grados debe ser proporcionado de una manera energéticamente eficiente.
Puesto que diferentes tipos de bombas de calentamiento son cada vez más comunes en los sistemas de calentamiento de los edificios, es evidente que también sería posible calentar el agua del grifo con bombas de calor. En una solución conocida, el agua fría que entra es conducida a la parte inferior de un depósito de agua del grifo, que es resistente al agua del grifo con oxígeno, y el agua del depósito es calentada por medio de un serpentín de calentamiento dispuesto en el interior del depósito. El agua de calentamiento circula por el serpentín de calentamiento, y es calentada con una bomba de calor. El agua caliente de calentamiento es conducida hacia el extremo de entrada del serpentín de calefacción en la parte superior del depósito, y el agua de calentamiento enfriada que ha liberado calor en el agua del grifo es conducida desde el extremo de salida del serpentín de calentamiento en la parte inferior del depósito para ser calentada de nuevo con el calor liberado por la bomba de calor. La disposición también puede ser la inversa, en cuyo caso el agua de calentamiento es conducida al espacio libre en el depósito, y el agua del grifo fluye a través del depósito desde la parte inferior hasta la parte superior del mismo en el interior de un serpentín cerrado del agua del grifo. También es conocida una disposición de dos depósitos encajados, en la que el depósito de agua del grifo está rodeado por una camisa de calentamiento llena de agua de calentamiento.
En todos los casos descritos anteriormente, el agua de calentamiento es calentada con una bomba de calor unos grados por encima de la temperatura requerida del agua caliente del grifo, por ejemplo, hasta aproximadamente 60 °C. Sin embargo, como es conocido, el denominado coeficiente de rendimiento que representa la eficiencia en las bombas de calor disminuye a medida que aumenta la temperatura Talta del medio de transferencia de calor calentado por la bomba de calor, es decir, en este contexto, el agua de calentamiento. En el caso de Talta = 60 °C, el coeficiente de rendimiento puede ser, con bombas de calor normales, por ejemplo, de aproximadamente 2,5. Sin embargo, las bombas de calor pueden alcanzar, en el mejor de los casos, por ejemplo, un coeficiente de rendimiento de 6. Esto significa que, en las soluciones de la técnica anterior antes descritas, el calentamiento del agua caliente del grifo está lejos de ser óptimo en términos de eficiencia energética.
También se conoce una disposición en la que, en vez de calentamiento indirecto, el agua del grifo es calentada directamente con una bomba de calor de CO2 , es decir, sin agua de calentamiento separada. El agua fría del grifo que entra es conducida a través de un intercambiador de calor en conexión con el condensador de la bomba de calor, de modo que el agua del grifo se calienta. El dióxido de carbono como refrigerante en la bomba de calor permite alcanzar la diferencia de temperatura requerida de A T = 50 °C con un coeficiente de rendimiento superior al de los refrigerantes tradicionales, incluso con un coeficiente de rendimiento de 4. Sin embargo, El dióxido de carbono es, en términos técnicos, un refrigerante difícil, por ejemplo, porque se requieren elevados niveles de presión.
La Patente US 2010/0282435 A1 da a conocer un sistema complejo de suministro de agua caliente con el aire acondicionado, que puede procesar simultáneamente una carga de refrigeración, una carga de calefacción y una carga de suministro de agua caliente a alta temperatura, para proporcionar una fuente de calor estable durante todo el año.
CARACTERÍSTICAS DE LA INVENCIÓN
El objetivo de la invención es dar a conocer un nuevo procedimiento energéticamente eficiente y un sistema para calentar agua del grifo basado en la utilización de una bomba de calor, cuyo procedimiento y cuyo sistema es factible que sean implementados con componentes normales y niveles de presión normales.
En un aspecto, la invención se refiere a un procedimiento para calentar el agua del grifo de un edificio desde una
primera temperatura Ti hasta una segunda temperatura T2, que comprende una etapa de calentamiento en la que el agua del grifo que entra es calentada con el calor de condensación liberado por una bomba de calor en el agua de calentamiento en su condensador, y el agua del grifo que ha sido calentada de esta manera es conducida a un depósito de agua del grifo para ser conducida posteriormente para su utilización. En el procedimiento de la invención, el agua del grifo que entra es calentada, en otras palabras, con el calor liberado por la bomba de calor en su condensador, en agua de calentamiento separada que funciona como un medio intermedio para la transferencia de calor. De este modo, en el procedimiento de la invención, el agua del grifo a calentar está separada de la bomba de calor por medio del agua de calentamiento. Esto garantiza que en ningún caso el refrigerante de la bomba de calor podrá ser mezclado directamente con el agua del grifo.
La primera temperatura T1 puede ser, por ejemplo, la temperatura del agua fría tal como es suministrada desde la tubería de suministro municipal o regional a la red de tuberías de agua del edificio, por ejemplo, en Finlandia, habitualmente, es de 5 a 8 °C. Sin embargo, también puede ser cualquier otra temperatura base, a partir de la cual es necesario aumentar la temperatura del agua del grifo. La segunda temperatura T2 puede ser, por ejemplo, la temperatura mínima del agua caliente del grifo que se necesita en el edificio, por ejemplo, es aproximadamente de 58 a 63 °C. En cualquier caso, las ventajas de la invención son muy notables cuando el incremento de temperatura objetivo, T2 - T1, es de decenas de grados, por ejemplo, como mínimo, de 30 grados.
El calentamiento del agua del grifo con el calor liberado por la bomba de calor en el agua de calentamiento en su condensador se puede llevar a cabo en la práctica, por ejemplo, haciendo circular el agua de calentamiento entre el condensador de la bomba de calor y un intercambiador de calor separado, y conduciendo el agua del grifo que entra a dicho intercambiador de calor, de modo que el agua de calentamiento libere el calor que absorbió adicionalmente en el condensador, al agua del grifo en el intercambiador de calor.
Según la invención, en el procedimiento, el agua del grifo es calentada con la bomba de calor en dicha etapa de calentamiento, de tal manera que el incremento de temperatura A T proporcionado entre el agua del grifo calentada y la que entra solo corresponde a una parte de la diferencia de temperatura total objetivo, T2 - T1, y dicha etapa de calentamiento es repetida utilizando, como agua del grifo que entra, el agua del grifo que se ha calentado en una etapa de calentamiento previa, y que es conducida desde la parte inferior del depósito de agua del grifo, y mediante la conducción del agua del grifo que se ha recalentado de esta manera a la parte superior del depósito de agua del grifo, con el fin de situar el agua del grifo recalentada encima del agua del grifo que ha sido calentada en una etapa de calentamiento previa, hasta que sustancialmente todo el volumen de agua contenido en el depósito de agua del grifo es agua del grifo recalentada.
En otras palabras, el agua del grifo no es calentada en el procedimiento de la invención de una sola vez, en una única etapa de calentamiento, por ejemplo, a partir de la temperatura de 5 a 8 °C del agua fría del grifo que entra, obtenida de la red de tuberías de agua, hasta la temperatura requerida de agua caliente del grifo, de aproximadamente 60 °C. En cambio, en la etapa de calentamiento se utiliza una bomba de calor para calentar el agua del grifo, cuya bomba de calor está configurada para liberar en el agua de calentamiento, y para liberar después en el agua del grifo una cantidad de calor que calienta el agua del grifo con un incremento de temperatura que únicamente corresponde a una parte del incremento total de temperatura objetivo. En la siguiente etapa, el agua del grifo que ya ha sido calentada, es calentada de nuevo con la misma cantidad de calor. El incremento de temperatura requerido, por ejemplo, aproximadamente de 50 grados en total, se proporciona repitiendo de manera continuada la etapa de calentamiento hasta que, después de la última etapa de calentamiento, la temperatura del agua del grifo conducida al depósito de agua del grifo ha alcanzado la temperatura deseada, T2.
En otras palabras, en el procedimiento según la invención, el calentamiento del agua del grifo se realiza en etapas, haciendo circular agua del grifo calentada de manera continua, para volver a ser calentada con el calor liberado por la bomba de calor en su condensador, hasta que la temperatura del agua del grifo haya alcanzado el nivel deseado, por ejemplo, aproximadamente 60 °C.
“Agua del grifo que entra” significa, simplemente, en el contexto de la invención, agua del grifo que es calentada en cada etapa de calentamiento. En la primera etapa de calentamiento, puede ser agua del grifo tal como es suministrada al edificio desde la tubería de suministro de agua, o agua del grifo que ha sido conducida, primero, sin calentar, al depósito de agua del grifo. En las siguientes etapas de calentamiento, el “agua del grifo que entra” es agua del grifo que ha sido calentada previamente en una o varias etapas de calentamiento.
Un calentamiento escalonado proporciona la valiosa ventaja de que la bomba de calor se puede utilizar de manera más eficiente, en otras palabras, con un mejor coeficiente de rendimiento que proporcionando el incremento total de temperatura requerido T2 - T1, todo a la vez, en una única etapa de calentamiento. Aunque la temperatura del condensador y la temperatura del agua de calentamiento suministrada al condensador aumenta después de cada etapa de calentamiento y, por lo tanto, el coeficiente de rendimiento disminuye gradualmente, el calentamiento escalonado según la invención proporciona en el mejor de los casos un coeficiente de rendimiento total significativamente más alto que el calentamiento en una sola etapa. Esto se debe al hecho de que, aunque la temperatura finalmente debe ser incrementada hasta aproximadamente 60 °C, el coeficiente de rendimiento, como mínimo en las primeras etapas del calentamiento, es claramente más alto de lo que sería si la temperatura del agua
del grifo fuese incrementada toda de una vez, por ejemplo, de 5 °C a 60 °C. En la primera etapa de calentamiento, el coeficiente de rendimiento puede ser, por ejemplo, aproximadamente de 6, desde el que disminuye paso a paso a medida que aumenta la temperatura de condensación de la bomba de calor, y en la última etapa de calentamiento puede ser, por ejemplo, de 2,5. El coeficiente total de rendimiento del calentamiento será, en este caso, más o menos la media de los valores mencionados anteriormente, es decir, ligeramente por encima de 4. Por lo tanto, la invención proporciona un elevado coeficiente total de rendimiento de calentamiento utilizando refrigerantes de bomba de calor normales, para evitar las dificultades técnicas relacionadas, por ejemplo, con la tecnología del CO2. Preferentemente, el incremento de temperatura AT proporcionado en una etapa de calentamiento es de 6 a 10 °C, muy preferentemente, de aproximadamente 8 °C. Un incremento de temperatura que sea óptimo en términos del coeficiente de rendimiento depende, por ejemplo, del refrigerante de la bomba de calor, pero este grado de incremento de temperatura normalmente lo proporcionan las bombas de calor con el coeficiente de rendimiento más alto a todas las temperaturas del condensador.
Además del calentamiento escalonado en el procedimiento según la invención, cuando se conduce agua caliente del grifo para su utilización desde el depósito del agua del grifo, es calentada además con agua caliente, que está caliente por el calor liberado por el gas caliente de una bomba de calor, para garantizar una temperatura suficientemente alta del agua del grifo conducida para su utilización. Esto se puede llevar a cabo, por ejemplo, conduciendo el agua del grifo a través de un volumen de agua caliente que conserva el calor, calentándose el agua del volumen de agua caliente con el calor liberado por el gas caliente de la bomba de calor.
Por ejemplo, en los casos en los que el agua del grifo no se ha calentado lo suficiente con el calentamiento escalonado antes de ser conducida para su utilización, se puede garantizar, de este modo, una temperatura final suficientemente alta del agua del grifo calentando posteriormente el agua del grifo con agua caliente. Además, la temperatura requerida de más de 60 grados no se alcanza necesariamente con todos los refrigerantes más comúnmente utilizados. La cantidad de calor del incremento de temperatura para los últimos grados puede ser proporcionada, según sea necesario, al agua del grifo por medio del gas caliente. El calentamiento posterior se puede utilizar, asimismo, para compensar las posibles pérdidas de calor producidas en la circulación del agua caliente del grifo. El volumen de agua caliente proporcionado, por ejemplo, en forma de una caldera de agua caliente puede ser suficientemente grande para producir una cantidad de calor que sea suficiente para satisfacer el requisito de calentamiento adicional del agua del grifo en los casos especiales descritos anteriormente.
Una característica esencial de la invención es que el agua caliente es calentada con el calor liberado por el gas caliente de la bomba de calor, es decir, un gas a alta temperatura que es presurizado mediante el compresor. En la práctica, esto se puede llevar a cabo con un intercambiador de calor de gas caliente dispuesto en conexión con la bomba de calor. Cuando el calor es extraído del gas caliente, proporciona la ventaja de obtener energía térmica a alta temperatura sin tener que utilizar el compresor para elevar la presión y la temperatura del condensador a un nivel innecesariamente alto, lo que reduciría la eficiencia/coeficiente de rendimiento de la bomba de calor. Por lo tanto, la misma bomba de calor puede liberar calor tanto en el condensador debido al cambio de fase del refrigerante a una temperatura, como en el intercambiador de calor de gas caliente, a medida que el refrigerante se enfría a una temperatura sustancialmente más alta que la temperatura en el condensador.
Solo se puede obtener una cantidad limitada de calor del gas caliente. Sin embargo, la cantidad de calor requerida en los casos descritos anteriormente, por ejemplo, para compensar la pérdida de calor producida en la circulación de agua caliente del grifo, es solo una pequeña parte, por ejemplo, aproximadamente 1/5 de la cantidad total de calor requerida para calentar el agua del grifo. El calor que se puede obtener habitualmente, a partir de gas caliente, es totalmente suficiente. Por lo tanto, la potencia calorífica que se puede obtener de la bomba de calor en el condensador y en el intercambiador de calor de gas caliente se corresponde con las cantidades de calor requeridas en estas dos etapas de calentamiento.
En resumen, se puede concluir, por lo tanto, que la combinación del calentamiento posterior basado en el calor liberado por el gas caliente, y el calentamiento primario escalonado, proporciona una temperatura suficiente para el agua del grifo, con un coeficiente general de rendimiento extremadamente bueno.
Asimismo, se consiguen ventajas con la invención en comparación con el calentamiento del agua del grifo únicamente mediante el calor liberado por el gas caliente, siendo utilizada la mayor parte del calor producido por la bomba de calor para calentar el edificio. Una combinación de los dos modos de calentamiento, en la que toda la energía térmica producida por la bomba de calor es utilizada para calentar el agua del grifo, garantiza que se suministre energía en un grado suficiente para calentar el agua del grifo incluso fuera de la temporada real de calefacción.
En una realización de la invención, el agua caliente del grifo que ha sido calentada con el agua caliente, se la hace circular hasta un punto de utilización de agua del grifo, y vuelve para ser calentada con el agua caliente para garantizar un suministro rápido de agua caliente del grifo para su utilización. En esta realización, las ventajas proporcionadas por el calentamiento escalonado y el calentamiento posterior juntos, son especialmente obvias. La circulación de agua caliente del grifo siempre da como resultado alguna pérdida de calor, puesto que el calor es
conducido desde la tubería de agua del grifo al aire y a las estructuras circundantes. Esta pérdida de calor puede ser compensada calentando posteriormente el agua del grifo con el agua caliente, por ejemplo, conduciendo de nuevo el agua caliente que fluye del grifo, desde un punto de utilización, a través de un cierto volumen de agua caliente que ha sido calentada a una temperatura adecuada.
En el procedimiento de la invención se puede utilizar cualquier tipo de bomba de calor, es decir, cualquier bomba de calor que proporcione calor de cualquier fuente de calor a una temperatura más alta. Sin embargo, en una realización preferente de la invención, la bomba de calor es una bomba de calor geotérmica que transfiere calor desde el suelo.
Dicha bomba de calor es utilizada, muy preferentemente en el calentamiento escalonado y en el calentamiento posterior. En otras palabras, en el procedimiento es posible utilizar una única y misma bomba de calor, calentando su intercambiador de calor de gas caliente el agua del volumen de agua caliente y calentando su condensador el agua de calentamiento para su utilización en el calentamiento escalonado. Cuando el calentamiento escalonado no está en curso, es posible utilizar el condensador para calentar el agua que debe ser conducida hasta la red de calefacción del edificio, por ejemplo, al radiador o a la tubería de la calefacción por suelo radiante.
En el procedimiento de la invención, el depósito de agua del grifo utilizado es muy adecuadamente un depósito con un diámetro interior de la sección transversal horizontal de no más de aproximadamente 800 mm, más preferentemente, de no más de aproximadamente 500 mm, y un volumen comprendido entre aproximadamente 300 y 1000 litros. El depósito puede ser, por ejemplo, un depósito cilíndrico instalado verticalmente. Dichas dimensiones garantizan que, al conducir el agua caliente del grifo a la parte superior del depósito, el agua del grifo ya existente en el depósito y el agua del grifo caliente conducida al mismo, se mantienen en capas superpuestas, sin mezclarse sustancialmente, de modo que es posible llenar todo el depósito con agua del grifo a la misma temperatura, a la que ha sido calentada en cada etapa de calentamiento.
Para garantizar un suministro continuo de agua caliente del grifo, es posible en el procedimiento, disponer el agua caliente del grifo en dos depósitos de agua del grifo diferentes, uno a continuación del otro. En otras palabras, en esta realización, el agua de un depósito de agua del grifo se calienta primero en etapas hasta la temperatura deseada, T2 , después de lo cual se puede iniciar el calentamiento del agua del grifo del otro depósito de agua del grifo mientras el primer depósito funciona, en este caso, como un almacenamiento de agua caliente del grifo. Debido a la combinación de los dos modos de calefacción según la invención, en los que toda la energía térmica producida por la bomba de calor puede ser utilizada para calentar el agua del grifo, los volúmenes de los depósitos de agua del grifo se pueden mantener en un tamaño razonable, puesto que el volumen de agua de un depósito de agua del grifo se puede calentar con relativa rapidez.
En el procedimiento según la invención, la única o las varias bombas de calor y los caudales de agua del grifo pueden ser controlados con medios conocidos per se. Por ejemplo, los caudales pueden ser regulados y controlados según se desee con diferentes válvulas, controladores de caudal, bombas y otros elementos operativos o accionadores. Para el control, es posible utilizar dispositivos de medición de presión, temperatura y caudal dispuestos en posiciones adecuadas. El conjunto formado por los elementos operativos y las bombas de calor utilizadas en el procedimiento puede ser controlado de manera centralizada con una o varias unidades de control, que comprenden una memoria y un procesador, así como un programa almacenado en la memoria, por ejemplo con un ordenador, en el que el procesador, mientras ejecuta el programa, genera señales de control para configurar las operaciones según las etapas del procedimiento para los accionadores y para la bomba de calor.
La invención ha sido explicada anteriormente, a partir de un aspecto del procedimiento según la invención. Según un segundo aspecto, la invención se refiere a un sistema para calentar agua del grifo de un edificio desde una primera temperatura T1 a una segunda temperatura T2. Lo que se describe en relación con el procedimiento citado anteriormente, con respecto a los principios básicos, detalles, realizaciones preferentes y ventajas de la invención, también es aplicable, cambiando lo que se deba cambiar, al sistema que se explica a continuación. Esto es igualmente aplicable en sentido inverso.
El sistema de la invención comprende una bomba de calor, una circulación de agua de calentamiento, un intercambiador de calor, una tubería de agua del grifo y un depósito de agua del grifo. Dichos elementos están dispuestos para calentar el agua del grifo que entra en el intercambiador de calor con el calor de condensación liberado por la bomba de calor en el agua de calentamiento en el condensador, y para conducir el agua del grifo que ha sido calentada de esta manera, al depósito de agua del grifo, para que sea conducida además para su utilización. La circulación del agua de calentamiento se refiere a la circulación del agua de calentamiento, que funciona como un medio de transferencia de calor entre la bomba de calor y el agua del grifo, entre el condensador de la bomba de calor y el intercambiador de calor, para que el agua de calentamiento reciba calor del refrigerante de la bomba de calor en el condensador de la bomba de calor y lo libere luego en el agua del grifo en el intercambiador de calor. Las tuberías de agua del grifo pueden comprender, además de las tuberías de circulación, cualesquiera válvulas, controladores, bombas y otros elementos operativos y accionadores conocidos per se, que se requieran para dicho
funcionamiento del sistema.
Según la invención, la bomba de calor está dispuesta para funcionar de tal manera que el incremento de temperatura A T proporcionado entre el agua del grifo calentada y la que entra solo corresponde a una parte de la diferencia de temperatura total objetivo, T2 - T1, estando el sistema dispuesto para repetir dicha etapa de calentamiento del agua del grifo que entra utilizando, como agua del grifo que entra, el agua del grifo que ya ha sido calentada y que es conducida desde la parte inferior del depósito de agua del grifo, y conduciendo de nuevo el agua del grifo que ha sido recalentada de esta manera a la parte superior del depósito de agua del grifo para situar el agua del grifo recalentada por encima del agua del grifo que ha sido calentada en una etapa de calentamiento previo, hasta que sustancialmente todo el volumen de agua contenido en el depósito de agua del grifo es agua del grifo recalentada. Además, el sistema está dispuesto según la invención, para repetir de manera continuada dicha etapa de calentamiento, hasta alcanzar la temperatura deseada T2 del agua del grifo.
Tal como se indicó anteriormente, en relación con el procedimiento, el funcionamiento del sistema se basa en el calentamiento escalonado del agua del grifo contenida en el depósito de agua del grifo, con sucesivas etapas de calentamiento, de modo que, en cada etapa de calentamiento, la temperatura del agua del grifo aumente en una cantidad que solo corresponde a una parte del incremento de temperatura total deseado.
El incremento de temperatura A T proporcionado en una etapa de calentamiento es de 6 a 10 °C, siendo, preferentemente, de aproximadamente 8 °C.
El sistema según la invención comprende, además, una red de conductos de agua caliente, así como un intercambiador de calor del gas caliente de la bomba de calor conectados entre sí para calentar agua caliente con el calor liberado por el intercambiador de calor de gas, estando dispuesta la tubería de agua del grifo para conducir el agua del grifo que va a ser conducida para su utilización desde el depósito de agua del grifo en comunicación de transferencia de calor con el agua caliente, para garantizar una temperatura suficientemente alta del agua del grifo que es conducida para su utilización.
La red de conductos de agua caliente puede ser una circulación cerrada, según la técnica anterior, haciendo circular el agua caliente hacia el intercambiador de calor de gas caliente y, de nuevo a la comunicación de transferencia de calor con el agua del grifo. En la práctica, la red de conductos de agua caliente puede comprender, por ejemplo, una caldera de agua caliente en la que está dispuesta la tubería de agua del grifo para calentar el agua del grifo con el agua caliente.
En una realización preferente, la tubería de agua del grifo está dispuesta para hacer circular agua caliente del grifo hasta un punto de utilización de agua del grifo y devolverla a la comunicación de transferencia de calor con agua caliente para garantizar un suministro rápido de agua caliente del grifo para su utilización a través de los grifos del edificio. En el caso en que el sistema comprenda una caldera de agua caliente, esta circulación de agua caliente del grifo puede estar dispuesta para hacer circular agua caliente del grifo entre la caldera de agua caliente y el punto de utilización del agua del grifo.
La bomba de calor dispuesta en el sistema puede ser una bomba de calor geotérmica.
Preferentemente, el intercambiador de calor de gas caliente está conectado a la misma bomba de calor que el condensador que libera calor en el agua de calentamiento.
Para garantizar una estratificación adecuada y sin mezclas del agua del grifo que entra, que es conducida desde el depósito de agua del grifo a calentar, y del agua del grifo calentada que es devuelta al depósito, el diámetro interior de la sección transversal horizontal del depósito de agua del grifo no mide más de aproximadamente 800 mm, muy preferentemente no más de aproximadamente 500 mm, y su volumen es de aproximadamente 300 a 1000 litros. En una realización preferente de la invención, el sistema comprende dos depósitos de agua del grifo para suministrar agua caliente del grifo a dos depósitos de agua del grifo diferentes, uno a continuación del otro.
El conjunto formado por los elementos operativos y las bombas de calor utilizados en el procedimiento y en el sistema puede ser controlado de manera centralizada con una o más unidades de control que comprenden una memoria y un procesador, así como un programa informático almacenado en la memoria, por ejemplo con un ordenador, en el que el procesador, mientras ejecuta el programa, produce señales de control para configurar las operaciones según las etapas del procedimiento para los accionadores y para las bombas de calor. En este contexto, los conceptos de “procesador” y “ordenador” deben ser entendidos en un sentido amplio, sin limitar su contenido a ningún tipo específico de aparato. Como ejemplo, el “programa informático” puede significar, por ejemplo, software integrado de un microcontrolador.
DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN
A continuación, se describirá la invención con referencia a la figura 1 adjunta, que da a conocer un ejemplo de las
realizaciones de la invención. La figura 1 es un diagrama que representa el sistema según la invención y muestra, asimismo, el procedimiento según la invención.
El aparato de calentamiento del sistema 1 de la figura 1 es una bomba de calor 2 geotérmica, que transfiere calor desde el suelo (la tubería de recuperación de calor no se muestra en la figura) a un circuito de refrigeración y, a continuación, es liberado en un intercambiador de calor 4 de gas caliente y en un condensador 3. En comunicación de transferencia de calor con el condensador, existe una circulación de agua de calentamiento 5, que está conectada, además, a un intercambiador de calor 6 para liberar el calor que ha sido liberado por la bomba de calor geotérmica al agua de calentamiento, además, de al agua del grifo a calentar. El sistema comprende una tubería 7 de agua del grifo con múltiples partes y desviaciones que, además de una línea de suministro 8 que suministra agua fría del grifo de la red de suministro, comprende una serie de tuberías, así como válvulas 9 y bombas 10.
El sistema comprende, asimismo, dos depósitos 11, 11’ de agua del grifo sustancialmente verticales, cilíndricos, con una capacidad comprendida entre aproximadamente 300 y 1000 l y un diámetro de aproximadamente 500 mm. La parte superior de cada depósito de agua del grifo está provista de una conexión de entrada 12, 12’. Asimismo, la parte inferior de cada depósito de agua del grifo tiene una conexión de entrada/salida 13, 13’ a través de la cual el agua del grifo puede ser conducida al depósito de agua del grifo, o desde el depósito al intercambiador de calor y de vuelta desde el intercambiador de calor a uno de los depósitos de agua del grifo a través de la conexión de entrada 12, 12’. La tubería de agua del grifo está dispuesta para conducir a través de la conexión de entrada/salida 13, 13’, bajo el control de una válvula 9, el agua fría del grifo de entrada suministrada desde la línea de suministro 8 a la parte inferior de cualquiera de los depósitos de agua del grifo.
La posición de las conexiones de entrada y salida puede diferir de la que se muestra en la figura 1. La característica esencial es que están colocadas en las partes “superior” e “inferior” de los depósitos de agua del grifo en el sentido de que las posiciones permiten el suministro de agua del grifo más caliente al depósito encima del agua del grifo más fría que está presente en el depósito y, por otro lado, la descarga de agua del grifo más fría al mismo tiempo, manteniendo las masas de agua del grifo de diferentes temperaturas sustancialmente sin mezclar y estratificadas. Además, cada depósito de agua del grifo está dotado de un tubo de salida 14, 14’ a través del cual el agua del grifo 15 puede ser conducida desde el depósito a los puntos de utilización 25 del agua del grifo. La tubería de agua del grifo conduce el agua del grifo para su utilización a través de una caldera de agua caliente 16 separada. La caldera de agua caliente está dotada de un sistema de circulación 18 de agua caliente 17, por medio del cual el agua de la caldera de agua caliente puede circular hacia el intercambiador de calor 4 de gas caliente de la bomba de calor 2 geotérmica, y volver a la caldera de agua caliente para calentar el agua del grifo con el calor liberado por el gas caliente de la bomba de calor en el agua caliente.
Como alternativa a la conducción de agua del grifo a través del volumen de agua caliente 17 contenido en la caldera 16 de agua caliente, es posible conducir agua caliente desde la caldera de agua caliente hasta un intercambiador de calor externo (no se muestra en la figura), y conducir el agua del grifo a través de este intercambiador de calor. En otras palabras, en esta alternativa, el agua del grifo es calentada adicionalmente en dicho intercambiador de calor fuera de la caldera de agua caliente. Sin embargo, también en esta alternativa, la fuente de calor adicional es el intercambiador de calor 4 de gas caliente de la bomba de calor.
La tubería de agua del grifo comprende una tubería 19 de circulación de agua caliente del grifo para hacer circular agua caliente del grifo entre los puntos de utilización 25 y la caldera de agua caliente.
Todo el sistema 1 es controlado con una unidad de control 20 que comprende un procesador 21 y una memoria 22, acoplada a un circuito de control 23 adecuado. La memoria también puede estar integrada en el procesador. La memoria almacena un programa que, a medida que es ejecutado en el procesador, produce órdenes de control para que los accionadores del sistema accionen el sistema según el procedimiento deseado.
El principio básico de funcionamiento del sistema de la figura 1 es calentar el agua del grifo en etapas, desde la temperatura T1 del agua que entra a la temperatura objetivo T2 del agua caliente del grifo. En el ejemplo mostrado en la figura, la temperatura T1 del agua fría del grifo de la red de suministro es de 5 °C y la temperatura T2 requerida del agua caliente del grifo es de 58 a 60 °C. El sistema está configurado para calentar primero y llenar un depósito 11, 11’ de agua del grifo con el agua del grifo calentada, después de lo cual este depósito funciona como un almacenamiento de agua caliente del grifo y, a continuación, calentar el agua del otro depósito 11’, 11. Mediante el calentamiento de dos depósitos uno a continuación del otro, se garantiza que un depósito esté constantemente dispuesto como almacén de agua caliente del grifo.
El agua del grifo es conducida para su utilización a través de la tubería de salida 14, 14’ desde cualquiera de los depósitos de agua del grifo. Antes de los puntos de utilización reales, el agua es conducida a través de una caldera 16 de agua caliente que contiene agua caliente 17 a aproximadamente 60 -a 80 grados, para garantizar que el agua del grifo conducida a los puntos de utilización esté suficientemente caliente.
La figura 1 muestra una situación en la que el depósito 11’ de agua del grifo a la derecha de la figura ya ha sido llenado con agua caliente del grifo a 58 - 60 grados y funciona como un almacenamiento desde el que se conduce el agua del grifo para su uso. El agua del grifo del depósito 11 de agua del grifo de la izquierda en la figura está siendo calentada en etapas.
El depósito 11 de agua del grifo ha sido llenado en primer lugar una vez con agua del grifo calentada a una temperatura aproximadamente ocho grados más elevada, lo cual es óptimo en términos de funcionamiento de la bomba de calor, desde los cinco grados de la red de suministro de agua hasta los 13 grados. En efecto, el funcionamiento de la bomba de calor está controlado de tal manera que proporciona cada vez el mismo incremento de temperatura de 8 grados al agua del grifo que finalmente llega al intercambiador de calor 6. En la situación mostrada en la figura, el agua a 13 grados es conducida desde la parte inferior del depósito de agua del grifo al intercambiador de calor 2, donde es calentada otros ocho grados, hasta los 21 grados, gracias al calor liberado por la bomba de calor 3, después de lo cual el agua calentada es conducida de retorno a la parte superior del depósito. El agua del grifo permanece sustancialmente dispuesta en capas a dos temperaturas diferentes en el depósito por efecto de la gravedad. Al suministrar agua del grifo que ha sido calentada en la segunda etapa de calentamiento a la parte superior del depósito, la superficie de separación 24 entre las dos temperaturas diferentes se desplaza hacia abajo en el depósito, hasta que todo el depósito está lleno de agua a 21 grados. A continuación, se repite la etapa de calentamiento. Esto continúa hasta que el agua del grifo haya alcanzado la temperatura final deseada, que es de 58 a 60 °C, en este ejemplo.
Las pérdidas de calor producidas con la circulación de agua caliente del grifo por la tubería de circulación 19 son compensadas con calor adicional que es proporcionado al agua del grifo por el agua 17 contenida en la caldera de agua caliente. La caldera de agua caliente tiene un tamaño suficientemente grande, con un volumen, por ejemplo, de aproximadamente 1000 l, para que la cantidad de calor que contiene sea suficiente en cualquier circunstancia para satisfacer la necesidad de un calentamiento adicional del agua del grifo. En cuanto al agua 17 de la caldera de agua caliente, es calentada en el intercambiador de calor 4 de gas caliente de la misma bomba de calor geotérmica, liberando la bomba de calor geotérmica en su condensador a la circulación de agua de calefacción 5 la energía térmica requerida para el calentamiento escalonado del agua del grifo.
Se debe tener en cuenta que la invención no está limitada simplemente al ejemplo descrito anteriormente mostrado en la figura 1; por el contrario, las realizaciones de la invención pueden variar dentro del alcance de las reivindicaciones. Por ejemplo, en el calentamiento adicional del agua del grifo es posible utilizar, en vez de la caldera 16 de agua caliente y la tubería 7 de agua del grifo dispuesta en su interior, una solución inversa, en la que el agua del grifo es conducida a un depósito intermedio adaptado para agua corriente con oxígeno, a través de cuyo depósito se proporciona la circulación de agua caliente que es calentada con el intercambiador de calor de agua caliente.
Claims (12)
1. Procedimiento para calentar agua del grifo (15) de un edificio desde una primera temperatura Ti a una segunda temperatura T2, que comprende una etapa de calentamiento, en la que el agua del grifo que entra es calentada con el calor de condensación liberado por una bomba de calor (2) en el agua de calentamiento (5) en su condensador (3), y el agua del grifo que ha sido calentada de esta manera es conducida a un depósito (11) de agua del grifo para ser conducida adicionalmente para su utilización, en el que
- el agua del grifo es calentada en dicha etapa de calentamiento con la bomba de calor, de tal manera que el incremento de temperatura AT proporcionado entre el agua del grifo calentada y la que entra solo corresponde a una parte de la diferencia de temperatura total deseada T2 - T1,
- dicha etapa de calentamiento se repite utilizando, como agua del grifo que entra, el agua del grifo que ya ha sido calentada en una etapa de calentamiento previa, y que es conducida desde la parte inferior del depósito (11) de agua del grifo, y devolviendo el agua del grifo que ha sido recalentada de esta manera a la parte superior del depósito de agua del grifo, de modo que se dispone una capa de agua del grifo recalentada sobre el agua del grifo que ha sido calentada en una etapa previa de calentamiento, hasta que sustancialmente todo el volumen de agua contenida en el depósito de agua del grifo es agua del grifo recalentada,
- dicha etapa de calentamiento se repite de manera continuada hasta que se alcanza la temperatura deseada T2 del agua del grifo, y caracterizado por que
- al conducir el agua del grifo para su utilización desde el depósito de agua del grifo, es calentada con agua caliente, que se calienta con el calor liberado por el gas caliente (4) de una bomba de calor, para garantizar una temperatura suficientemente alta del agua del grifo conducida para su utilización; en el que el agua del grifo que entra (15) y el agua de calentamiento (17) pueden ser calentadas con la misma bomba de calor.
2. Procedimiento, según la reivindicación 1, en el que el incremento de temperatura AT proporcionado en una etapa de calentamiento es de 6 a 10 °C, preferentemente, de aproximadamente 8 °C.
3. Procedimiento, según la reivindicación 1 o 2, en el que el agua caliente del grifo que ha sido calentada con el agua caliente, se la hace circular hasta un punto de utilización (25) de agua del grifo y es vuelta a calentar con el agua caliente para garantizar un suministro rápido de agua caliente del grifo para su utilización.
4. Procedimiento, según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, en el que se utiliza una bomba de calor (2) geotérmica como bomba de calor.
5. Procedimiento, según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, en el que el depósito de agua del grifo utilizado es un depósito (11) con el diámetro interior de la sección transversal horizontal de no más de aproximadamente 800 mm, muy preferentemente no más de aproximadamente 500 mm, y un volumen de entre, aproximadamente, 300 y 1000 litros.
6. Procedimiento, según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, en el que el agua caliente del grifo es proporcionada por el procedimiento en dos depósitos (11, 11’) de agua del grifo diferentes, uno a continuación del otro.
7. Sistema (1) para calentar agua del grifo (15) de un edificio desde una primera temperatura T1 a una segunda temperatura T2, comprendiendo el sistema una bomba de calor (2), una circulación de agua de calentamiento (19), un intercambiador de calor (6), una tubería (7) de agua del grifo y un depósito (11) de agua del grifo, dispuestos para calentar el agua del grifo que entra en el intercambiador de calor con el calor de condensación liberado por la bomba de calor en el agua de calentamiento (5) en su condensador (3), y para conducir el agua del grifo que ha sido calentada de esta manera en el depósito de agua del grifo para ser conducida además para su utilización, en el que
- la bomba de calor (2) está dispuesta para funcionar de tal manera que el incremento de temperatura AT proporcionado por el agua del grifo calentada y la que entra, solo corresponde a una parte de la diferencia de temperatura total prevista T2 - T1,
- el sistema está dispuesto para repetir dicha etapa de calentamiento del agua del grifo que entra utilizando, como agua del grifo que entra, el agua del grifo que ya ha sido calentada y que es conducida desde la parte inferior del depósito (11) de agua del grifo, y devolviendo el agua del grifo recalentada de esta manera a la parte superior del depósito de agua del grifo para disponer una capa de agua del grifo recalentada por encima del agua del grifo que ha sido calentada en una etapa de calentamiento previa, hasta que sustancialmente todo el volumen de agua contenido en el depósito de agua del grifo sea agua del grifo recalentada,
- estando dispuesto el sistema para repetir de manera continuada dicha etapa de calentamiento hasta que se haya alcanzado la temperatura deseada T2 del agua del grifo, y
- comprendiendo, además, el sistema, una red de conductos de agua caliente (18) y un intercambiador de calor (4) de gas caliente de una bomba de calor, conectados entre sí para calentar agua caliente (17) con el calor liberado por el intercambiador de calor de gas caliente, estando dispuesta la tubería (7) de agua del grifo para conducir el agua del grifo que va a ser conducida para su utilización desde el depósito de agua del grifo a la comunicación de
transferencia de calor con el agua caliente (17), para garantizar una temperatura suficientemente alta del agua del grifo conducida para su utilización; en el que el intercambiador de calor (4) de gas caliente puede ser conectado a la misma bomba de calor (2) que el condensador (3) que libera calor en el agua de calentamiento.
8. Sistema (1), según la reivindicación 7, en el que el incremento de temperatura AT proporcionado en una etapa de calentamiento es de 6 a 10 °C, siendo, preferentemente, de aproximadamente 8 °C.
9. Sistema (1), según la reivindicación 7 u 8, en el que la tubería de agua del grifo (7, 19) está dispuesta para hacer circular agua caliente del grifo hasta un punto de utilización de agua del grifo (25) y devolverla a la comunicación de transferencia de calor con el agua caliente (17) para garantizar un suministro rápido de agua caliente del grifo para su utilización.
10. Sistema (1), según cualquiera de las reivindicaciones 7 a 9, en el que la bomba de calor es una bomba de calor (2) geotérmica.
11. Sistema (1), según cualquiera de las reivindicaciones 7 a 10, en el que el diámetro interior de la sección transversal horizontal del depósito (11) de agua del grifo no es mayor de aproximadamente 800 mm, muy preferentemente no mayor de aproximadamente 500 mm, y su volumen es de aproximadamente 300 a 1000 litros.
12. Sistema (1), según cualquiera de las reivindicaciones 7 a 11, que comprende dos depósitos (11, 11’) de agua del grifo para suministrar agua caliente del grifo a dos depósitos de agua del grifo diferentes, uno a continuación del otro.
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