ES2902473T3 - Aparato para la gestión de agua caliente en un sistema de calefacción de tanque de almacenamiento de agua caliente y método asociado - Google Patents

Aparato para la gestión de agua caliente en un sistema de calefacción de tanque de almacenamiento de agua caliente y método asociado Download PDF

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Abstract

Aparato para gestionar agua caliente en un sistema de calefacción de tanque de almacenamiento de agua caliente que tiene una fuente de energía y un tanque (110) de agua caliente con una tubería de entrada y una tubería (180) de salida, comprendiendo el aparato: un soporte (140) de montaje para sujetarlo a la tubería de salida del tanque de agua caliente, el soporte está dispuesto para sostener uno o más sensores (312, 315) de temperatura, los sensores están dispuestos para proporcionar señales de sensor de temperatura desde la salida del tanque de agua caliente, una disposición de procesamiento implementada por ordenador configurada para recibir las señales del sensor de temperatura, en el que la disposición de procesamiento está dispuesta para ejecutar uno o más medios de procesamiento para establecer la distribución de temperatura dentro del tanque y una interfaz configurada para comunicarse con un usuario o procesadores adicionales, ya sea de forma local o remota, caracterizado porque un segundo sensor (312) de temperatura está separado de un primer sensor (315) a lo largo de la tubería de salida y se proporcionan características (311) de enfriamiento alrededor del segundo sensor promoviendo así un delta de temperatura más grande a través del soporte de montaje, aumentando así la precisión.

Description

DESCRIPCIÓN
Aparato para la gestión de agua caliente en un sistema de calefacción de tanque de almacenamiento de agua caliente y método asociado
La presente invención se refiere a un aparato y a un método para gestionar el agua caliente en un sistema de calefacción de tanque de almacenamiento de agua caliente.
La invención permite la gestión del agua caliente en un tanque de almacenamiento de agua caliente mediante el seguimiento del perfil de temperatura del agua dentro del tanque (a menudo denominado estratificación). Una forma convencional de hacer esto es colocar sensores de temperatura a lo largo del tanque. Sin embargo, con los tanques modernos, el aislamiento a menudo se construye sobre el tanque, lo que hace que sea muy difícil hacerlo de manera efectiva y también tiene complicaciones prácticas debido a la ubicación del tanque, etc.
El documento WO2012/069497 está dirigido hacia un sistema de gestión de suministro de electricidad para una instalación de usuario terminal conectada a una red de suministro de energía eléctrica, comprendiendo la instalación de usuario terminal un dispositivo de almacenamiento de energía con medios para monitorizar uno o más parámetros operativos del dispositivo de almacenamiento de energía; estando los medios de monitorización conectados a un controlador que está conectado operativamente al dispositivo de almacenamiento de energía para controlar el funcionamiento del dispositivo de almacenamiento de energía; en el que el controlador comprende un algoritmo de autoaprendizaje que puede determinar las características operativas del dispositivo de almacenamiento de energía conectado al mismo para mejorar la eficiencia del sistema de gestión del suministro de electricidad adaptando la respuesta del sistema de gestión del suministro de electricidad de acuerdo con las características de operación determinadas del sistema de almacenamiento de energía.
El documento WO2010/069815 se refiere a aparatos y métodos para monitorizar un tanque de agua caliente de un sistema de calentamiento de agua caliente. El aparato comprende al menos dos sensores de temperatura del tanque para detectar la temperatura de al menos dos alturas diferentes del tanque y generar señales de sensor respectivas en respuesta a las temperaturas detectadas; una disposición de procesamiento configurada para recibir las señales del sensor del tanque, determinar a partir de ellas un valor de parámetro de nivel de agua caliente que es indicativo de la proporción del volumen total de agua en el tanque que está por encima de un umbral de temperatura predeterminado, y emitir el valor del parámetro de nivel de agua caliente; y una memoria electrónica para recibir y almacenar el valor del parámetro de nivel de agua caliente.
El documento US 2010/004790 se relaciona con el sistema para cambiar la demanda de energía de las ventanas de tiempo en pico a ventanas de tiempo sin pico mediante el uso de cambios de carga del calentador de agua caliente, al tiempo que proporciona al usuario final el nivel de servicio (es decir, la disponibilidad de agua caliente) de acuerdo con el uso de costumbre del usuario descrito por criterios de calidad del servicio. El cambio se realiza mediante un controlador ubicado en el establecimiento del usuario final y en comunicación con un servidor de control central. El controlador monitoriza la temperatura superior y/o inferior del calentador de agua local y controla los elementos de calentamiento del calentador de agua superior y/o inferior de acuerdo con un proceso de cambio de demanda ordenado por el servidor de control central.
El documento US 2013/197827 describe un aparato y método para determinar el volumen de agua caliente dispensada durante un período de tiempo dado desde un calentador de agua alimentado con hidrocarburos basado en el volumen de combustible consumido por el calentador de agua durante el período de tiempo y la diferencia de temperatura promedio entre la temperatura del agua de entrada y la temperatura del agua de salida durante el período de tiempo.
El documento US 4.568.821 se refiere a un aparato y método para controlar un sistema de calentador de agua doméstico en el que la temperatura real del agua en el tanque de almacenamiento del sistema se mide continuamente y la temperatura del agua medida se muestra continuamente en una ubicación alejada del calentador de agua. Hay medios de control ubicados en una ubicación remota para activar los medios energizantes en el calentador de agua para calentar el agua. Los medios energizantes son activados por la persona que tiene la intención de usar el agua calentada sobre la base de la temperatura medida del agua mostrada en la pantalla continua en el momento de la medición y el uso previsto del agua.
El documento EP 2051016 se refiere a un sistema de suministro de agua caliente del tipo de almacenamiento que incluye un tanque de almacenamiento de agua caliente para almacenar agua fría y caliente; una unidad de bomba de calor para calentar el agua fría y caliente alimentada desde el tanque de almacenamiento de agua caliente; un cuerpo de tubo de entrada de agua provisto en el tanque de almacenamiento de agua caliente mientras se extiende en una dirección superior e inferior, para guiar el agua fría y caliente hacia el exterior; y un grifo de agua caliente al que se conduce el agua fría y caliente sacada al exterior del tanque de agua caliente, y se caracteriza porque el cuerpo del tubo de entrada de agua está provisto de al menos un orificio de entrada de agua superior formado cerca de una parte superior del tanque de almacenamiento de agua caliente y un orificio de entrada de agua intermedio formado más bajo que el orificio de entrada de agua superior.
El aparato de la presente invención que se reivindica puede proporcionar una gestión de la funcionalidad del agua caliente monitorizando únicamente la temperatura en la tubería de salida y usando software para calcular el perfil de temperatura en el tanque basándose en propiedades conocidas y descubiertas del tanque.
La invención se define más particularmente en las reivindicaciones adjuntas que se incorporan en esta descripción como referencia.
La invención se describirá a continuación más particularmente con referencia a los dibujos adjuntos que muestran, a modo de ejemplo únicamente, una serie de realizaciones de un aparato y método para gestionar agua caliente en un sistema de calefacción de tanque de almacenamiento de agua caliente de acuerdo con la invención.
Breve descripción de los dibujos
La Figura 1 describe los componentes clave de un tanque de agua caliente que incluye la tubería de salida, el aislamiento de la tubería y una forma de realización de un recinto de sensor de temperatura;
La figura 2 ilustra la tubería de salida de agua caliente con una realización del soporte de montaje del sensor de temperatura en su posición abierta;
La figura 3 ilustra una realización de la plataforma de montaje del sensor;
La figura 4 detalla el recinto en la posición abierta;
La figura 5 muestra una vista en sección de un tanque de almacenamiento de agua caliente típico con una tubería de salida de agua caliente con una realización del soporte de montaje del sensor de temperatura acoplado;
La Figura 6 muestra varias opciones de montaje diferentes para diferentes diseños de accesorios;
La figura 7 muestra dos realizaciones de la invención, una que muestra una realización con un panel de interfaz de visualización y otra realización que muestra una versión alimentada por batería;
La figura 8 muestra un ejemplo de un elemento de inmersión típico;
La figura 9 muestra una realización de la invención en la que se fija una pinza amperimétrica dentro del recinto de inmersión;
La figura 10 ilustra una realización de la invención que describe la comunicación entre la invención y un aparato de control que utiliza comunicaciones por línea eléctrica;
La figura 11 ilustra una realización de la invención que muestra un cable de comunicación que se alimenta directamente a un aparato controlado a distancia;
La figura 12 ilustra dos realizaciones adicionales de un aparato de montaje de sensor de temperatura que incluye una plataforma de sensor que se monta directamente en el revestimiento de tubería;
La figura 13 describe algunos componentes alternativos de un recinto de sensor de temperatura que incluye un mecanismo de clip de resorte que se acopla con un tubo de salida, plataformas de montaje, detectores ultrasónicos y disipadores de calor;
La figura 14 describe algunas características opcionales clave de una interfaz de usuario montada en la pared; La figura 15 ilustra una realización de una interfaz de usuario para ver y programar agua caliente;
La figura 16 muestra una realización de una interfaz de usuario móvil;
La figura 17 es un diagrama de flujo que ilustra las etapas clave en una primera realización del programa utilizado para operar el sistema; y
La figura 18 muestra un modelo de un tanque con segmentos discretos a lo largo de la longitud del tanque de modo que cada sección se asemeja a un disco con un volumen de agua dado.
El aparato comprende un soporte de montaje para sujetarlo a la tubería de salida del tanque de agua caliente, el soporte está dispuesto para sostener uno o más sensores de temperatura, los sensores están dispuestos para proporcionar señales de temperatura desde la salida del tanque caliente, una disposición de procesamiento implementada por ordenador localmente o configurada remotamente para recibir las señales del sensor de temperatura, en la que la disposición de procesamiento está dispuesta para ejecutar uno o más medios de procesamiento para establecer la distribución de temperatura dentro del tanque y una interfaz para interactuar con un usuario o procesadores adicionales ya sea local o remotamente.
La figura 1 muestra una realización del aparato donde el soporte de montaje está unido al tubo de salida del tanque de agua caliente. El soporte está dispuesto para contener uno o más sensores de temperatura. Los sensores están dispuestos para proporcionar un medio de procesamiento con señales de sensor de temperatura desde la salida del tanque caliente. Los medios de procesamiento están dispuestos para ejecutar varios métodos de procesamiento para establecer la distribución de temperatura dentro del tanque.
Tener sensores instalados solo en la tubería de salida brinda ventajas considerables sobre una disposición que comprende sensores a lo largo del tanque, particularmente con tanques modernos, que tienen aislamiento incorporado en la piel del tanque, lo que hace muy difícil y esencialmente inviable el montaje directo de sensores en medir con precisión la temperatura a diferentes alturas en el tanque.
El método incorporado en el elemento de procesamiento modela el tanque como elementos uniformes discretos a lo largo de su eje vertical. Se supone que las propiedades del agua en los elementos antes mencionados son uniformes en todo el elemento. Se han desarrollado modelos de estratificación empíricos para diferentes geometrías de tanques y fuentes de energía. Los niveles de entrada de energía se pueden medir directamente usando un transformador de corriente con el elemento de procesamiento configurado para recibir la señal del transformador de corriente.
Alternativamente, los niveles de potencia de cada elemento calefactor pueden introducirse como propiedades fundamentales del sistema para su incorporación al método.
Las características dinámicas de la temperatura registrada por el sensor de temperatura más cercano a la parte superior del sensor 315 del tanque, junto con la información sobre la fuente de energía (ya sea detectada o ingresada como una característica), se pueden usar para determinar la estratificación de energía desde la fuente de energía hasta los elementos discretos dentro del tanque que permite que un modelo de perfil dentro del tanque se desarrolle de forma recursiva a lo largo del tiempo.
Una vez utilizada una fuente de energía indirecta, un ciclo de descarga total o parcial del sistema permitirá determinar el aporte de energía de dicha fuente para su uso futuro en el modelo de estratificación. Las pérdidas de energía del tanque dependerán de varias características del sistema y el entorno, como el delta de temperatura entre el ambiente y los elementos, el grosor y las propiedades del aislamiento, etc. El elemento de procesamiento utiliza una propiedad dinámica de ancho de banda inferior de la temperatura en la ubicación T1 para establecer las propiedades de almacenamiento de energía del tanque y actualiza el almacenamiento de energía de cada subelemento en consecuencia.
Además, la tasa de pérdida del tanque depende de la densidad de almacenamiento de energía en el tanque, es decir, un volumen menor de agua se enfriará más rápido que un volumen mayor de agua almacenada a la misma temperatura. Esta característica puede ser utilizada por el sistema para determinar características de rendimiento clave del sistema.
La mayor fuente de pérdida de energía del sistema será cuando se extraiga agua caliente del sistema. La tubería de salida tendrá una ligera diferencia de temperatura con la temperatura superior del tanque, debido al efecto de enfriamiento del aire ambiente en la tubería de salida. Cuando se extrae agua del sistema, la tubería de salida experimentará momentáneamente un aumento de temperatura que el elemento de procesamiento utiliza para detectar que se extrae agua del sistema.
Para mejorar la precisión, se separa un segundo sensor 312 del primer sensor 315 a lo largo del tubo de salida y se proporcionan características 311 de enfriamiento alrededor del segundo sensor 312 (T2), que promoverán un delta de temperatura más grande a través del soporte de monitorización de salida aumentando así la precisión.
El elemento de procesamiento utilizará el delta de temperatura para identificar cuándo se extrae agua del sistema. Una vez que el agua deje de fluir, la tubería de salida se enfriará nuevamente, lo que permitirá que el elemento de procesamiento detecte cuándo ha cesado el flujo de agua. Nuevamente, la precisión se mejora incorporando el segundo sensor de temperatura de manera que aumenten los deltas de temperatura.
La velocidad a la que convergen las temperaturas se puede utilizar para ayudar a determinar la velocidad de flujo a través de la tubería.
A medida que se extrae agua del sistema, que será del subelemento más alto del sistema, se extrae agua fría al sistema, en el subelemento más bajo. La transferencia de energía interna dentro del sistema será en dirección vertical de subelemento a subelemento que el elemento de procesamiento incorpora en el modelo de estratificación mencionado anteriormente, de modo que el modelo resultante habrá incorporado la energía extraída del sistema y el impacto que habrá tenido sobre la estratificación energética dentro del sistema.
Elemento(x)_t(0) = elemento(x)_t(-1)*Tasa_de_pérdida [elemento(x+1)_t(-1) - elemento(x)_t(-1)]*flujo
Donde
El elemento(x)_t(0) es el almacenamiento de energía actual por encima de 0 °C para cualquier subelemento del tanque.
El elemento(x)_t(-1) es el almacenamiento de energía por encima de la temperatura ambiente para el subelemento actual calculado en el período predefinido anterior
El elemento(x+1)_t(-1) es el almacenamiento de energía en el subelemento debajo del elemento x en el período predefinido anterior
Flujo = caudal del sistema
Tasa_de_pérdida = índice de ineficiencia del tanque
Por lo tanto, el método iterativo incorporado en el elemento de procesamiento mantendrá una representación en tiempo real del almacenamiento de energía de cada subelemento del sistema de tanque caliente. La aplicación de la propiedad de capacidad calorífica específica del agua al método permite convertir el perfil a la temperatura de cada subsección. Una vez que se conoce la temperatura deseada del agua, el agua caliente disponible se puede determinar calculando el volumen de agua ambiental que se agregará a cada subelemento para entregar agua a la temperatura requerida, calculando así la capacidad potencial total de agua caliente útil.
Figure imgf000005_0001
(sec) > Tu, Ls * (T(sec) — Tu)/(Tu — Ta))
Donde
L = litros útiles totales disponibles
Sec = número de sección
T(sec) = temperatura de la subsección
Tu = temperatura predefinida del agua requerida
Ls = capacidad de cada subsección
Ta = temperatura de alimentación de agua fría
Esto permite que el sistema reporte al usuario en tiempo real la capacidad disponible de agua caliente.
Los modelos de estratificación empíricos se utilizan para predecir de forma recursiva los perfiles de estratificación futuros dentro del tanque cuando se habilitan diferentes fuentes de energía. El elemento de procesamiento incorpora un mecanismo de entrada del usuario para solicitar una cantidad fija de agua caliente. El elemento de procesamiento predice recursivamente la estratificación en el tanque en función de cada fuente de calor para entregar dicho volumen de agua y toma una decisión sobre qué fuente de calor acoplar y qué tasa para entregar dicho volumen de agua en función de minimizar el uso de energía, la velocidad de entrega o coste de entrega, dependiendo de cuál se considere de mayor prioridad.
El elemento de procesamiento controlará la fuente de energía según sea necesario y monotorizará el rendimiento del sistema para proporcionar un control de retroalimentación cerrado y notificará al usuario cuando el volumen de agua requerido esté disponible. Esta funcionalidad proporciona ventajas considerables para el usuario final, ya que el usuario puede interactuar con el sistema solicitando volúmenes de agua y el sistema administra de manera inteligente el sistema para entregar la cantidad de agua requerida lo más rápido posible o con una cantidad mínima de desperdicio.
El elemento de procesamiento también incorporará un elemento de comunicaciones remotas que permitirá al sistema recibir solicitudes o comandos de forma remota. Esto permite que el sistema actúe como un elemento en un sistema macro en el que se pueden controlar varios sistemas juntos con fines de gestión de la red. Un ejemplo de esta aplicación es que, en el caso de que se disponga de grandes cantidades de energía renovable en exceso, se pueden ordenar varios sistemas (en función de su capacidad disponible reportada) para utilizar el exceso de energía y estabilizar la red.
El elemento de procesamiento recopilará datos sobre las propiedades de pérdida de calor del tanque. Esta información se puede utilizar para otorgar al tanque y al sistema una calificación de eficiencia energética e identificar qué sistemas tienen un bajo rendimiento y son adecuados para actualizarlos a alternativas más modernas y eficientes desde el punto de vista energético.
El elemento de procesamiento identificará el consumo de agua caliente del sistema e incorporará un elemento de aprendizaje para predecir los ciclos repetidos de uso. Luego, el sistema puede administrarlo de manera proactiva para brindar estos patrones de uso, además de incorporar una cantidad de agua de contingencia eficiente para que esté disponible permanentemente para el usuario.
El sistema recopilará datos considerables sobre el uso de agua caliente que también se pueden recopilar para estudios sociales sobre el uso de agua caliente, uso de energía, comportamientos, etc.
Descripción detallada de los dibujos y funcionamiento de la invención
En la Figura 1 se muestra un tanque 110 de agua caliente con una tubería 180 de salida de agua caliente unida a dicho tanque mediante un codo 160 de acoplamiento. La tubería tiene una sección de aislamiento 170 y una realización del recinto 140 del sensor de temperatura instalado junto a dicho codo 160. También hay un elemento 150 calefactor de inmersión en la parte superior.
La figura 2 muestra el mismo recinto 140 del sensor en la posición abierta, permitiendo ver una realización de la plataforma 121 de montaje del sensor de temperatura.
La figura 3 ilustra una plataforma 120 de montaje de sensor de temperatura que incluye el primer sensor 315 de temperatura, el segundo sensor 312 de temperatura, el disipador 311 de calor de la tubería de salida y el sensor 313 de temperatura ambiente para una precisión adicional. El sensor de temperatura ambiente está dispuesto para proporcionar a la disposición de procesamiento datos sobre la temperatura ambiente que actúa sobre la tubería de entrada. Esto permite que el sistema compense dinámicamente el efecto que esto tiene en la tasa de cambio de los sensores de salida y las compensaciones requeridas en el funcionamiento normal. Los medios 314 de procesamiento, el terminal (1)316 auxiliar, el terminal (2)318 auxiliar y el terminal (3)319 auxiliar también se ilustran junto con el disipador 320 de calor TEC y la abrazadera 316 de montaje.
La figura 4 muestra las características del recinto 140 comenzando con el mecanismo 412 de bisagra, el primer fondo 413 de aislamiento del sensor de temperatura, la primera cima 415 de aislamiento del sensor de temperatura, la segunda cima y fondo 418/420 con perforaciones de ventilación del sensor, las pestañas 414 de ajuste de diámetro variable, el conducto 417 del sensor de la temperatura ambiente y segmentos 419 de entrada de cables.
La figura 5 muestra una vista en sección de un tanque 110 caliente típico con un serpentín 512 de intercambio de calefacción, entrada 515, salida 513, aislamiento 511 del tanque y punto 514 de recogida del termostato de agua caliente. Si el punto 514 de recogida del termostato está disponible, se puede aplicar al terminal auxiliar 318 cuando se requiere control sobre la bobina 512 de intercambio de calefacción.
La Figura 6 muestra una serie de opciones de montaje diferentes para diferentes diseños 611-618 de accesorios, incluido el uso de sensores de temperatura auxiliares donde se requieran.
La figura 7 muestra dos realizaciones de la invención, una que muestra una realización con un panel 711 de interfaz de visualización y otra realización que muestra una versión 712 alimentada por batería que puede comunicarse usando radio RF.
La Figura 8 muestra un ejemplo de un elemento de inmersión típico que incluye el termostato 815 del disipador del elemento 813 del disipador, y el termostato 816 de baño del elemento 814 de baño. También muestra una pinza 811 de corriente y una tapa 812 de inmersión.
La figura 9 muestra la conexión 911 entre una pinza de corriente dentro de la inmersión y una realización de la invención que incluye un panel 711 de interfaz de visualización.
La figura 10 ilustra una realización de la invención que representa el cable 914 de comunicación entre la invención y un cable 912 de aparato de control que usa tecnología de comunicación de línea de potencia.
La figura 11 ilustra una realización de la invención que muestra un cable 913 de comunicación que alimenta directamente un aparato controlado a distancia.
La figura 12 ilustra dos realizaciones adicionales de un aparato 144 de montaje de sensor de temperatura, que incluye una plataforma 141 de sensor que se monta directamente en el revestimiento de tubería.
La figura 13 ilustra una plataforma 120 de montaje de sensor de temperatura que incluye un primer clip 321 de conexión de tubería y un segundo clip 322 de conexión de tubería, donde cada clip está dispuesto para actuar directamente sobre un elemento sensor de temperatura, el disipador 320 de calor y la barrera 325 térmica. También se muestra la tubería 180 de salida de agua caliente unida a dichos clips. Se muestra una realización de un caudalímetro sónico mediante las sondas 323 y 324.
En la Figura 14, se muestra un cubo 915 montado en la pared que incluye una representación visual de un tanque 919 de agua caliente que incluye el nivel 918 de agua caliente, un botón 916 de refuerzo para reforzar e interactuar con dicho cubo y un botón 917 aislador eléctrico. El nivel objetivo de agua caliente útil se muestra en dos estados 30 % 920 y 60 % 921. Una realización que indica que el agua se está calentando se muestra en forma de burbujas que se elevan 922, también se muestra 925 una ola ondulante 924 que indica el volumen objetivo de agua útil por encima del volumen real del nivel de agua caliente útil.
En la Figura 15 se usa un dial para mostrar el nivel de agua disponible en un momento dado durante un período de 24 horas. Un tanque casi vacío se indica en 951 y un tanque lleno se indica en 950 usando segmentos en dicho dial. Se incluye una realización que muestra el nivel/temperatura del agua caliente dentro del tanque en diferentes estados 926, 927 y 928.
La figura 16 muestra un dispositivo 930 móvil que incluye una representación visual de un tanque 932 de agua caliente con la cantidad de agua caliente como porcentaje de la capacidad total del tanque mostrado 931. También se incluyen iconos que representan un baño 933, el disipador 938 y las duchas 934 y 935. También se incluye un medio para solicitar agua 936 caliente y sugerencias sobre cómo hacerlo 937. 943 indica la capacidad dinámica de dichos iconos para reflejar diversos perfiles de usuario. 939 muestra a un usuario que solicita un tanque lleno al 25 % de agua caliente. 940 muestra a un usuario que solicita un tanque lleno al 68 % de agua caliente. 941 muestra un temporizador de cuenta regresiva que muestra el tiempo hasta que el agua caliente esté lista. 942 muestra el nivel de agua caliente objetivo por encima del nivel real de agua caliente a la mitad de un evento de calefacción.
La Figura 17 muestra los principales diagramas de flujo.
La figura 18 muestra un modelo de un tanque 161 con segmentos discretos a lo largo de la longitud del tanque 162 de modo que cada sección se asemeja a un disco con un volumen dado de agua. Se muestra la fórmula 164 de relación de estratificación.
F(x) = [ F(x-1) C(x) ] * R
donde R = razón de estratificación,
La tasa de estratificación es la proporción de las pérdidas totales de una capa que pasa a la capa inferior.
La relación depende linealmente del gradiente de temperatura que ya existe entre las capas
X y X+1, siendo la unidad cuando no existe gradiente y reduciéndose a cero cuando el gradiente es de 25 °C/m (determinado empíricamente)
La presente invención proporciona uno o más módulos de software que pueden funcionar para modelar el tanque como segmentos discretos a lo largo de la longitud del tanque, de modo que cada sección se asemeja a un disco con un volumen de agua dado. Se supone que toda el agua de cada subsección tiene una temperatura uniforme. Se han recopilado datos de diferentes tipos de tanques en el campo al monitorizar las temperaturas a lo largo de su longitud para comprender cómo se distribuye la temperatura bajo diferentes métodos de calefacción, es decir, elementos de calefacción eléctrica versus solar o caldera.
Debido a que no es práctico medir directamente la parte más caliente del tanque, el sistema depende de que se tome una lectura de temperatura a lo largo de la tubería de salida, lo más cerca posible de la parte superior del tanque. Se emplea un método de compensación para ajustar esta lectura de temperatura para que coincida más con la temperatura en la cima del tanque.
Cuando el sistema está en reposo, habrá un delta de temperatura entre ambos sensores de temperatura en la tubería de salida, y el sensor más alejado del tanque estará más frío que el otro. Cuando ocurre el flujo, el agua de la parte más caliente del tanque pasará por ambos sensores y ambas lecturas de temperatura convergerán. Este es un mecanismo que se utiliza para identificar cuándo ocurre el flujo. De manera similar, cuando el flujo se detiene, las lecturas de temperatura divergirán, y el sensor más alejado del tanque se enfriará más rápido que el otro, lo que proporciona un mecanismo para detectar cuándo ha cesado el flujo. Además, cuando ocurre el flujo, la temperatura registrada por los sensores será la del agua extraída de la parte superior del tanque. Esto brinda la oportunidad de determinar un factor de compensación mediante el seguimiento del aumento de temperatura detectado por el primer sensor en la tubería de salida. Este factor de corrección se puede emplear para corregir los valores futuros registrados por el sensor para representar con mayor precisión la temperatura en la parte superior del tanque.
Finalmente, cuando se detecta flujo, el modelo de estratificación previamente determinado se usa para rastrear el flujo a través del tanque y así determinar la estratificación revisada en el tanque como resultado del evento de extracción de agua. Hacer coincidir la temperatura registrada en la tubería de salida con los niveles de estratificación calculados previamente en el tanque permitirá determinar el volumen de extracción, es decir, el caudal.
Cuando el tanque está en un estado de equilibrio, es decir, sin fuente de calor y sin flujo, el calor se pierde del sistema a través de pérdidas por conducción. Estas pérdidas ocurrirán a través de la parte superior del tanque y los lados del tanque. El agua enfriada en el costado del tanque fluirá hacia abajo por el exterior del tanque, con agua más caliente de las capas inferiores, subiendo por el centro del tanque, lo que lleva a la estratificación que ocurre naturalmente en el tanque, con tanques menos eficientes que dan una tasa más rápida de estratificación debido al aumento de pérdidas. Esto da como resultado que cada capa pierda energía a través de pérdidas de conducción a través del costado del tanque, así como pérdidas de convección debido a las corrientes generadas en el tanque. También se reemplaza algo de energía debido a las corrientes parásitas de la capa inferior. La cantidad de pérdida de energía que pasa a la capa inferior es proporcional a la pérdida total de la capa y tiene una relación lineal inversa con el gradiente de temperatura a la capa inferior, es decir, cuanto menor es el gradiente de temperatura, mayor es la corriente parásita generada y, por lo tanto, mayor la pérdida de energía pasada a la capa inferior. La pérdida de energía que pasa de una capa a otra se puede determinar monitorizando las pérdidas del tanque y determinando la estratificación que ocurre naturalmente en el tanque.
La tasa de caída de temperatura en la parte superior del tanque permite determinar una cifra de mérito para el rendimiento energético del tanque. Esto se determina monitorizando el rendimiento de retención de energía de los tanques durante un período prolongado. Este factor de rendimiento se puede utilizar cuando el tanque está en un estado dinámico, p. ej. fuente de calor aplicada, para determinar los niveles de estratificación que irán evolucionando durante el estado dinámico. Esto es necesario debido al hecho de que las pérdidas de energía del sistema no se pueden medir directamente debido a que se agrega energía al sistema al mismo tiempo. Durante tal condición, la propiedad previamente aprendida por el sistema, se puede emplear para mantener el modelo de estratificación del sistema.
Una vez que se ha aplicado el modelo de estratificación, la energía de las fuentes de calefacción relevantes se puede aplicar al sistema cuando corresponda. Para las fuentes eléctricas, en una realización, la energía aplicada se mide mediante un sensor separado. El aumento de temperatura en la cima del sistema se utiliza para determinar cuántas capas se ven afectadas de modo que la energía suministrada por la fuente se distribuya completamente por todo el sistema.
Para las fuentes no eléctricas, se desconoce la energía total agregada. Para tales fuentes, el sistema puede recibir una entrada que especifique el número de capas calentadas por dicha fuente y el aumento de temperatura detectado en la parte superior del sistema utilizado para determinar la distribución de energía dentro del sistema. Otra opción es que el sistema aprenda esta propiedad después de que se implemente una descarga del sistema después de un ciclo de calentamiento para determinar el volumen de agua calentada por la fuente no eléctrica.
En el caso de que se instale un sensor de temperatura adicional en el tanque, se puede emplear un método de corrección de errores para hacer una referencia cruzada del modelo de estratificación al sensor adicional para mejorar aún más la precisión.
El almacenamiento de energía, por encima de 0 °C, de cada subcapa es la variable principal utilizada en el método. La capacidad calorífica específica del agua y el volumen de cada capa se utilizan para calcular la temperatura promedio de cada capa y, finalmente, el volumen total de agua útil disponible para el usuario final.
El método es iterativo en el sentido de que basa su cálculo en el perfil de temperatura en el perfil de temperatura anterior, es decir, se requiere información histórica y luego se calcula el impacto de la entrada y salida de energía. El perfil no se puede determinar simplemente tomando una medición de temperatura.
Hay ocasiones en el ciclo de funcionamiento normal de calefacción y refrigeración de un dispositivo de almacenamiento de agua caliente en las que el modelo de estratificación tiene que funcionar con resolución limitada desde un tanque ligeramente estratificado. En una realización de la invención, se ejecuta un método de sesgo dinámico para mejorar esta posición combinando dos o más métodos de seguimiento de la energía en el tanque. Con el tiempo, los medios de procesamiento establecerán un caudal de reducción de energía promedio por segundo para cada tanque específico, estos datos, cuando se usan junto con los datos del nivel de energía del modelos de estratificación, como punto de partida se pueden formular para dar una segunda cifra de la energía almacenada en el tanque, esta cifra se reduce a medida que se detecta una extracción en función del caudal de reducción de energía por segundo valor. Si esta figura se combina con la figura del modelo de estratificación con el método de sesgo que ajusta dinámicamente el sesgo con base en el desempeño del método de procesamiento en las secciones del ciclo de operación donde los datos empíricos, con o sin métodos estadísticos, como el análisis de regresión, se utilizan para calibrar las proporciones de sesgo de un proceso de medición frente al otro, se puede obtener un resultado más preciso de la energía que si se utilizara solo un método.
El método también se basa en calcular el almacenamiento de energía en cada subsección. Una vez que se conoce el almacenamiento de energía de cada sección, esta se puede convertir a una temperatura promedio para esa sección basada en el volumen previamente definido de la subsección. Cada subsección puede entregar un volumen mayor de agua útil que el volumen de la subsección real al calentar el agua en esa sección por encima de la temperatura elegida como el umbral de agua útil, es decir, si el umbral de agua útil se establece en 40 grados, entonces 10 litros de agua a 60 grados pueden proporcionar 20 litros de agua útil mezclando el agua a 60 grados con 10 litros de agua a 20 grados (dando 20 litros a una temperatura promedio de 40 grados).
Este principio se utiliza para calcular el rendimiento de agua útil de cada subsección, reportando así el volumen total de agua útil disponible del sistema. El modelo del método calcula el impacto que tendrá cada fuente de energía en el perfil del agua en el tanque.
El método descrito anteriormente implica distribuir energía de diferentes fuentes dentro del sistema. El mismo método se puede utilizar para calcular hipotéticamente el impacto de diferentes fuentes que se aplican al sistema. Por lo tanto, si el usuario solicita más agua, el método puede ejecutar un escenario hipotético de cada fuente de calefacción encendida a su vez para calcular la entrada de energía requerida y el tiempo requerido para suministrar la cantidad de agua requerida.
Por lo tanto, el sistema puede calcular la forma óptima de entregar el volumen de agua requerido al usuario; óptimo puede significar con la menor cantidad de energía o el tiempo más rápido o el costo más bajo (puede que no sea el mismo). El sistema también puede controlar el elemento calefactor requerido, durante el período de tiempo requerido, a la velocidad requerida, para suministrar el agua requerida y notificar al usuario cuando esté listo.
Por consiguiente, la presente invención proporciona un aparato y métodos para gestionar el agua caliente en un sistema de calentamiento de un tanque de almacenamiento de agua caliente.
La invención proporciona medios para rastrear el perfil de temperatura del agua caliente en los tanques de agua caliente, para permitir reportar al usuario sobre la cantidad de agua caliente que tiene disponible para usar.
La invención proporciona uno o más módulos de software que son operables para calcular cómo varía el perfil de temperatura cuando un tanque se calienta desde diferentes fuentes, por ejemplo, cuando el tanque se calienta con la inmersión del disipador, cambiará el perfil en comparación con cuando se calienta desde la caldera.
La invención proporciona uno o más módulos de software que son operables para convertir el perfil de temperatura en una cantidad de "litros útiles" o el usuario, es decir, el usuario obtendrá una pantalla simple informándole del volumen de agua caliente disponible para él.
La invención proporciona un medio de control para encender y apagar las diferentes fuentes para calentar el tanque. Estos controles también tendrán una capacidad de acceso remoto para que las fuentes de energía se puedan encender de forma remota.
Se pueden operar uno o más módulos de software para determinar cómo las diferentes fuentes de calor impactan en el tanque para que el método pueda brindar funcionalidad al usuario, cuando solicite una cierta cantidad de agua. A continuación, el sistema puede calcular la forma óptima de suministrar esa agua y controlar la fuente de calefacción respectiva para suministrar el agua caliente necesaria.
La invención proporciona tanques de agua que tienen capacidad de control remoto, además de poder reportar sobre el almacenamiento de energía actual en el tanque. El tanque se puede utilizar como parte de una población más grande con fines de estabilización de la red o gestión del lado de la demanda (DSM), p. ej., cuando hay exceso de viento disponible, se puede ordenar a todos los tanques que se enciendan para usar el exceso de energía o cuando la red se acerca a su límite de capacidad, los tanques se pueden apagar por períodos para reducir la carga en la red. La capacidad de control remoto también le da a la operación del sistema de transmisión (TSO) y la operación del sistema de distribución (DSO) la capacidad de ajustar las reglas preestablecidas sobre cómo reaccionar cuando ocurre un evento de perturbación de voltaje o frecuencias en la red de energía, generalmente ajustando su cargar en el sistema
Además de uno o más módulos de software que pueden funcionar para rastrear las fuentes de calor en el tanque, es fundamental rastrear el flujo de agua del tanque para actualizar el perfil de temperatura en el tanque cuando se extrae agua.
La presente invención proporciona una forma única de hacer esto mediante el control de cómo varía la temperatura de la tubería de salida. Esto proporciona una forma sencilla y no intrusiva de determinar un parámetro para que funcionen uno o más módulos de software.
Se han descrito aspectos de la presente invención a modo de ejemplo únicamente y se debe apreciar que se pueden realizar alteraciones y/o modificaciones a los mismos sin apartarse del alcance de la misma como se define en las reivindicaciones adjuntas.

Claims (15)

REIVINDICACIONES
1. Aparato para gestionar agua caliente en un sistema de calefacción de tanque de almacenamiento de agua caliente que tiene una fuente de energía y un tanque (110) de agua caliente con una tubería de entrada y una tubería (180) de salida, comprendiendo el aparato:
un soporte (140) de montaje para sujetarlo a la tubería de salida del tanque de agua caliente, el soporte está dispuesto para sostener uno o más sensores (312, 315) de temperatura, los sensores están dispuestos para proporcionar señales de sensor de temperatura desde la salida del tanque de agua caliente,
una disposición de procesamiento implementada por ordenador configurada para recibir las señales del sensor de temperatura, en el que la disposición de procesamiento está dispuesta para ejecutar uno o más medios de procesamiento para establecer la distribución de temperatura dentro del tanque y
una interfaz configurada para comunicarse con un usuario o procesadores adicionales, ya sea de forma local o remota,
caracterizado porque un segundo sensor (312) de temperatura está separado de un primer sensor (315) a lo largo de la tubería de salida y se proporcionan características (311) de enfriamiento alrededor del segundo sensor promoviendo así un delta de temperatura más grande a través del soporte de montaje, aumentando así la precisión.
2. Aparato como se reivindica en la reivindicación 1, en el que un programa incorporado en la disposición de procesamiento está adaptado para modelar el tanque de agua caliente como subelementos (162) uniformes discretos a lo largo de su eje vertical, asumiéndose que las propiedades del agua en los subelementos mencionados anteriormente son uniformes a través de cada subelemento, con modelos de estratificación empíricos que son desarrollados para diferentes geometrías de tanques y fuentes de energía, y en los que los niveles de entrada de energía se pueden medir directamente utilizando un medio de medición de corriente con la disposición de procesamiento configurada para recibir señales de los medios de medición de corriente, o alternativamente, los niveles de entrada de energía de cada fuente de calefacción se pueden introducir como propiedades fundamentales del sistema de calefacción para su incorporación al programa.
3. Aparato como se reivindicó en la reivindicación 2, en el que a medida que se extrae agua caliente del subelemento más alto del sistema y se extrae agua fría al sistema en el subelemento más bajo, la transferencia de energía interna dentro del sistema está en una dirección vertical de subelemento a subelemento, la disposición de procesamiento se adapta para incorporar energía extraída del sistema y el impacto que tiene en la estratificación de energía dentro del sistema en el modelo de estratificación.
4. Aparato como se reivindica en una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, en el que el segundo sensor (312) de temperatura está separado del primer sensor (315) ya sea dentro del soporte (140) de montaje o en un cable volante, preferiblemente en el que la precisión se mejora mediante aislar el primer sensor y la tubería (180) de salida asociada y los accesorios entre el primer sensor y el tanque (110), promoviendo así un delta de temperatura más grande entre el primer y el segundo sensor de salida, aumentando así la precisión, particularmente de manera preferible en el que la disposición de procesamiento está adaptada para usar el delta de temperatura para identificar cuándo se extrae agua del sistema, en el que cuando el agua deja de fluir, la tubería de salida se enfría nuevamente, lo que permite que la disposición de procesamiento detecte cuándo ha cesado el flujo de agua, en el que la precisión se mejora al incorporar el segundo sensor de temperatura de modo que aumenten los deltas de temperatura y la tasa a la que las temperaturas convergen también se utiliza para determinar el caudal a través de la tubería.
5. Aparato como se reivindica en una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el aparato comprende además un sensor (313) de temperatura ambiente dispuesto para proporcionar a la disposición de procesamiento datos sobre la temperatura ambiente que actúa sobre el tanque (110) y sobre la tubería de entrada.
6. Aparato como se reivindica en una cualquiera de las reivindicaciones 2 y 3 a 5 cuando depende de la reivindicación 2, en el que el modelo de estratificación está de acuerdo con lo siguiente:
Elemento(x)_t(0) = elemento(x)_t(-1)*Tasa_de_pérdida [elemento(x+1)_t(-1) - elemento(x)_t(-1)]*flujo
donde
El elemento(x)_t(0) es el almacenamiento de energía actual por encima de 0° c para cualquier subelemento del tanque.
El elemento(x)_t(-1) es el almacenamiento de energía por encima de la temperatura ambiente para el subelemento actual calculado en el período predefinido anterior
El elemento(x+1)_t(-1) es el almacenamiento de energía en el subelemento debajo del elemento x en el período predefinido anterior
Flujo = caudal del sistema
Tasa_de_pérdida = índice de ineficiencia del tanque
7. Aparato como se reivindica en una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que un método iterativo incorporado en la disposición de procesamiento mantiene una representación en tiempo real del almacenamiento de energía de cada subelemento del sistema de tanque caliente, en el que cuando se conoce la temperatura deseada del agua, el agua caliente disponible se puede determinar calculando el volumen de agua ambiental que se agregará a cada subelemento para entregar agua a la temperatura requerida, calculando así la capacidad potencial total de agua caliente útil utilizando la fórmula:
L = ^ si(T(sec) > Tu,Ls * (T(sec) - Tu)/(Tu - Ta))
sec= 1
donde
L = litros útiles totales disponibles
Sec = número de sección
T (sec) = temperatura de la subsección
Tu = temperatura predefinida del agua requerida
Ls = capacidad de cada subsección
Ta = temperatura de alimentación de agua fría
permitiendo así informar al usuario o cualquier tercero relevante de la capacidad disponible de agua caliente en tiempo real.
8. Aparato como se reivindica en una cualquiera de las reivindicaciones 2 a 7, en el que los modelos empíricos de estratificación se utilizan para predecir de forma recursiva futuros perfiles de estratificación dentro del tanque cuando se habilitan diferentes fuentes de energía, incorporando la disposición de procesamiento un mecanismo de entrada del usuario para solicitar una cantidad fija de agua caliente, la disposición de procesamiento se adapta para predecir recursivamente la estratificación en el tanque con base en cada fuente de calefacción para entregar el dicho volumen de agua y tomar una decisión sobre qué fuente de calefacción acoplar y a qué tasa entregar dicho volumen de agua con base en minimizar el uso de energía, la velocidad de entrega o el coste de entrega, dependiendo de cuál se considere una prioridad más alta o no apropiada.
9. Aparato como se reivindica en una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que la disposición de procesamiento está adaptada para controlar la fuente de energía según se requiera, y monitorizar el rendimiento del sistema para proporcionar un control de retroalimentación cerrado y notificar al usuario cuando el volumen de agua requerido está disponible.
10. Aparato como se reivindica en una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que los datos de energía se calculan como litros útiles reales de agua caliente y se muestran al usuario a través de una interfaz de usuario que muestra los litros útiles como un porcentaje de la capacidad total del tanque, siendo esta información mostrada al usuario en forma de diferentes niveles de agua que representan agua caliente útil en una pantalla o dentro de una representación visual de un tanque de agua caliente típico; opcionalmente esta información se muestra como gráficos de barras horizontales que representan segmentos discretos que se correlacionan directamente con la temperatura dentro de una representación visual de un tanque de agua caliente típico con una escala de temperatura, u opcionalmente, esta información se muestra mediante gráficos de barras con diferentes temperaturas representadas por barras de diferentes colores; en el que tales presentaciones son métodos simplificados y mejorados de presentar información al usuario en comparación con una lectura básica de la temperatura del agua caliente.
11. Aparato como se reivindicaa en una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que la disposición de procesamiento comprende un elemento de comunicaciones remotas que incluye, pero no se limita a, comunicaciones por línea de potencia y permite que el sistema reciba solicitudes/comandos de forma local o remota con respecto al exceso o muy poca energía u otras razones relacionadas con la señal del precio de la energía, la señal DSM y el ajuste de reglas preestablecidas sobre cómo reaccionar al voltaje o frecuencias, perturbaciones o eventos, permitiendo así que el sistema actúe como un elemento en un macrosistema donde múltiples sistemas se pueden controlar juntos o en grupos para fines de gestión de la red, tales como, pero no limitado a un caso de disponibilidad de grandes cantidades de energía renovable en exceso, se puede ordenar a varios sistemas que utilicen el exceso de energía y estabilicen la red.
12. Aparato como se reivindica en una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que la disposición de procesamiento está adaptada para recopilar datos sobre las propiedades de pérdida de calor del tanque, utilizándose esta información para dar al tanque y al sistema una calificación de eficiencia energética, preferiblemente en la que la disposición de procesamiento recopila datos sobre sistemas de calefacción que tienen un rendimiento inferior, muestran operaciones inusuales o indican detección de fallas y presenta los datos de forma local y remota.
13. Aparato como se reivindica en una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que la disposición de procesamiento está adaptada para identificar el consumo de agua caliente del sistema e incorpora un elemento de aprendizaje para predecir ciclos repetidos de uso, en el que el aparato está adaptado para gestionar proactivamente el sistema con respecto al coste de la energía requerida y el tiempo de uso para entregar estos patrones de uso, así como con respecto a una cantidad de agua de contingencia eficiente que estará disponible permanentemente para el usuario.
14. Aparato como se reivindica en una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que los resultados de dos o más métodos de monitorización de un tanque caliente incluyen, pero no se limitan a, (A) un método de flujo medio por segundo para monitorizar un tanque caliente o (B) una sonda de temperatura múltiple en el método del tanque o (C) un método de tanque estratificado simulado por ordenador, que tienen diferentes características en diferentes secciones del ciclo de operación combinado con un método de sesgo basado en el desempeño de un método de monitorización en las secciones del ciclo de operación donde los datos empíricos, con o sin métodos estadísticos, como el análisis de regresión, se incorporan a la disposición de procesamiento y se utilizan para calibrar las proporciones de sesgo de un método de medición frente al otro u otros para dar un resultado más preciso que si solo se hubiera utilizado un método.
15. Un método para establecer una distribución de temperatura dentro de un tanque de agua caliente, el método que usa un aparato para gestionar agua caliente en un sistema de calefacción de almacenamiento de agua caliente que tiene una fuente de energía y un tanque de agua caliente como se reivindica en una cualquiera de las reivindicaciones anteriores.
ES16763204T 2015-08-14 2016-08-16 Aparato para la gestión de agua caliente en un sistema de calefacción de tanque de almacenamiento de agua caliente y método asociado Active ES2902473T3 (es)

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