ES2969387T3 - Dispositivo de calentamiento de agua - Google Patents

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ES2969387T3 ES20204509T ES20204509T ES2969387T3 ES 2969387 T3 ES2969387 T3 ES 2969387T3 ES 20204509 T ES20204509 T ES 20204509T ES 20204509 T ES20204509 T ES 20204509T ES 2969387 T3 ES2969387 T3 ES 2969387T3
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Frédéric Gourves
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Abstract

Un dispositivo calentador de agua (10) destinado a suministrar agua caliente a una habitación (L) comprende un calentador de agua (12) y un elemento de cálculo y regulación (19) conectado a un sistema de energía renovable (16) y a una red eléctrica. (17). Cuando para un día ja se dispone de excedente de energía producida por el sistema de energía renovable la tarjeta de regulación determina la consigna de temperatura para el día j tal que: cuando se realiza una predicción de la energía Epvj+1 producida por el sistema de energía renovable el día siguiente j+ 1 es mayor que la predicción del consumo energético del local ese día, la consigna de temperatura para el mismo día j se fija en un valor base T1, y cuando se predice la energía producida por el sistema de energía renovable el día siguiente j+1 es menor que la predicción del consumo de energía en ese día, el punto de ajuste de temperatura para el mismo día j se establece en un valor excedente T2. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN
Dispositivo de calentamiento de agua
Sector de la técnica
La presente invención se refiere al campo de los dispositivos de calentamiento de agua sanitaria.
Estado de la técnica
Es habitual utilizar un acumulador de agua caliente para suministrar agua caliente sanitaria a un local (por ejemplo, una casa). El acumulador es un depósito de volumen predefinido con un orificio de entrada de agua situado generalmente en la parte inferior del depósito y un orificio de salida de agua situado generalmente en la parte superior del depósito. El acumulador contiene uno o varios elementos de calentamiento que permiten regular la temperatura del agua. El o los elementos de calentamiento pueden alimentarse con energía procedente de la red eléctrica convencional o mediante energía verde, de tipo paneles fotovoltaicos. Un cuadro de control permite ajustar la potencia calorífica del (o de los) elementos de calentamiento.
El nivel de agua así como la temperatura del agua en el acumulador pueden fluctuar con el tiempo en función del consumo de la vivienda y/o de condicionantes externos como el clima. De este modo, la energía fotovoltaica disponible para la vivienda también puede variar en función de la luz solar. En algunos casos, por ejemplo, puede no haber almacenamiento tras un periodo de luz solar, mientras que las necesidades del día siguiente superarán la capacidad de almacenamiento de ese día. También puede existir una situación indeseable en la que el agua del acumulador se sobrecaliente por la energía fotovoltaica perdida debido a la pérdida de calor del acumulador, ya que las necesidades de agua caliente del día siguiente son inferiores a la energía disponible, mientras que esta energía podría haberse utilizado para otro fin en las instalaciones o haberse vendido de nuevo a la red.
El documento EP3065021 muestra un sistema de gestión de la energía de un calentador de agua en el que el calentador de agua se calienta alternativamente mediante energía fotovoltaica o mediante la red en función de la previsión meteorológica para el día siguiente. En este documento, el valor de consigna de temperatura si el calentamiento procede de la red es diferente del valor de consigna de temperatura si el calentamiento procede de energía renovable. Estos valores de consigna de temperatura también se modifican en función de datos representativos de un futuro nivel de producción de energía renovable.
El documento EP3404334 muestra un sistema de gestión de energía para un calentador de agua conectado a un sistema fotovoltaico con el fin de almacenar energía fotovoltaica. En este sistema, cuando se dispone de un excedente de energía producido por el sistema fotovoltaico, y cuando además la temperatura del agua contenida en el calentador de agua es inferior a un valor excedente del valor de consigna de temperatura, una tarjeta de regulación determina a partir del excedente disponible una potencia calorífica que debe controlarse en el elemento de calentamiento con el fin de almacenar al menos parte del excedente de energía en forma de agua caliente disponible en el calentador de agua. Además, la tarjeta de regulación ordena al elemento de calentamiento que caliente el agua en el calentador de agua utilizando la energía fotovoltaica excedente mientras la temperatura del agua sea inferior al valor excedente.
Objeto de la invención
La presente invención pretende mejorar la situación.
Se propone un dispositivo de calentamiento de agua destinado a suministrar agua caliente a un local, comprendiendo el dispositivo:
- un calentador de agua que comprende:
- un elemento de calentamiento para calentar el agua contenida en el calentador de agua,
- una sonda de temperatura para medir una temperatura del agua Tagua contenida en el calentador de agua; y - un elemento de cálculo y regulación conectado al elemento de calentamiento y a la sonda de temperatura para regular el elemento de calentamiento en función de un valor de consigna de temperatura, estando el elemento de cálculo y regulación conectado a un sistema de energía renovable, por ejemplo un sistema fotovoltaico, y a una red eléctrica para suministrar energía al elemento de calentamiento, teniendo el valor de consigna de temperatura un valor T1 de base, y un valor T2 de excedente mayor o igual que el valor T1 de base, cuando para un día j se dispone de un excedente de energía producido por el sistema de energía renovable, el elemento de cálculo y regulación está adaptado para determinar el valor de consigna de temperatura para el día j de tal manera que:
cuando una predicción de la energía Epvj+1 producida por el sistema de energía renovable en el día siguiente j+1 sea mayor que la predicción del consumo de energía del local en ese día, el valor de consigna de temperatura para el mismo día j se fije en el valor T1 de base, y
cuando la predicción de la energía producida por el sistema de energía renovable en el día siguiente j+1 es inferior a la predicción del consumo de energía de ese día, el valor de consigna de temperatura para el mismo día j se fija en el valor T2 de excedente para calentar el agua contenida en el calentador de agua utilizando el excedente de energía producido por el sistema de energía renovable disponible en el día j.
Las características expuestas en los párrafos siguientes pueden implementarse opcionalmente. Pueden implementarse independientemente unas de otras o combinadas entre sí:
- predicción del consumo de energía del local para el día j+1 es igual a una energía Sj+1 de extracción predicha para el día j+1 sumada a una energía D(Tj) de pérdida del calentador de agua a la temperatura de consigna aplicada al día j,
- la energía Sj+1 de extracción predicha para el día j+1 tiene en cuenta un historial del consumo del local,
- la predicción de la energía Epvj+1 producida por el sistema de energía renovable el día siguiente j+1 se calcula en función de las previsiones meteorológicas y/o de los datos estadísticos relativos al calentador de agua recibidos de un servidor alejado del dispositivo,
- en el que el valor T2 de excedente se determina como el valor que minimiza la siguiente función:
[Sj+ D(Ti)m * Cp* ( r2 -TJ+ MIN(5;+1D(T2)+m * Cp*(T2 - TJ ; EPVJ+1)]* Cx
[^;+i 0 (T 2)— m * C p * (T2 — Tj) —MIN(5j+1D(T2)m * Cp*(T2 —7\); £p7j+1)] * C2
en donde m es la masa del agua, Sj es la energía de extracción tomada del calentador de agua el día j, Sj+1 es la energía de extracción estimada tomada del calentador de agua el día j+1, Epvj+1 es la energía producida por el sistema de energía renovable el día siguiente j+1, D(T1) es la energía de pérdida del calentador de agua a la temperatura T1 de base, D(T2) es la energía de pérdida del calentador de agua a la temperatura T2 de excedente, Cp es la capacidad térmica del agua, y C1 y C2 son dos coeficientes predefinidos según un perfil de optimización, - en el que el coeficiente C1 es representativo de una eficiencia de transformación de la energía procedente del sistema de energía renovable, y el coeficiente C2 es representativo de una eficiencia de transformación de la energía procedente del sistema eléctrico convencional, por ejemplo C1 = 1 y C2 = 2,5 o 2,1,
- el coeficiente C1 es representativo de un coste de la energía procedente del sistema de energía renovable, y el coeficiente C2 es representativo de un coste de la energía procedente del sistema eléctrico convencional, por ejemplo C1 = 0 y C2 = 0,15,
- el coeficiente C1 es representativo de un balance de carbono para la energía renovable y el coeficiente C2 es representativo de un balance de carbono para la energía procedente del sistema eléctrico convencional, por ejemplo C1 = 45 u 11 y C2 = 60,
- el elemento de cálculo y regulación incluye una tarjeta de regulación que controla una potencia de calentamiento del elemento de calentamiento en función de valores de consigna de temperatura, y
- el elemento de cálculo y regulación incluye también un gestor de energía conectado por una parte a la tarjeta de regulación y por otra parte al sistema de energía renovable y a la red eléctrica, estando el gestor de energía adaptado para determinar los valores de consigna de temperatura en función de las predicciones de la energía Epvj+1 producida por el sistema de energía renovable y las predicciones del consumo de energía de los locales ese día, el gestor de energía está adaptado para comunicar los valores de consigna de temperatura a la tarjeta de regulación a intervalos regulares, por ejemplo aproximadamente cada 10 minutos.
Descripción de las figuras
Otras características, detalles y ventajas se desprenderán de la descripción detallada que figura a continuación y del análisis de los dibujos adjuntos:
Figura 1
La [figura 1] muestra un dispositivo de calentamiento de agua según una realización.
Descripción detallada de la invención
Los dibujos y la descripción que figuran a continuación contienen, en su mayor parte, elementos de certeza. Por tanto, pueden servir para mejorar la comprensión de la presente invención, que se define mediante las reivindicaciones.
La figura 1 muestra en general un dispositivo 10 de calentamiento de agua que suministra agua caliente sanitaria a un local, por ejemplo, una vivienda.
El dispositivo 10 de calentamiento de agua incluye un calentador 12 de agua diseñado a suministrar agua caliente a la vivienda. El calentador 12 de agua tiene una dirección L longitudinal y un volumen V. El volumen V del calentador 12 de agua está comprendido preferiblemente entre 100 y 300 litros.
El calentador 12 de agua comprende un orificio 11 de suministro de agua y un orificio 14 de extracción de agua. El orificio 11 de suministro se utiliza para llenar el volumen V del calentador de agua con agua sanitaria, y el orificio 14 de extracción se utiliza para vaciar el calentador de agua para alimentar el local según sea necesario.
El calentador 12 de agua también incluye un elemento 16 de calentamiento para calentar el agua contenida en el calentador 12 de agua. Según una realización, el elemento de calentamiento es el único elemento de calentamiento del calentador de agua. El elemento 16 de calentamiento puede ser una o más resistencias (fijas o variables) conectadas a una o más clavijas, una bobina o un condensador. El elemento 16 de calentamiento podría ser externo al volumen V. Por ejemplo, el elemento 16 de calentamiento podría ser una cinta termodinámica o eléctrica. De este modo, el calentador 12 de agua puede ser un calentador de agua eléctrico o termodinámico y, por tanto, tener elementos de calentamiento termodinámicos y eléctricos combinados, una bomba de calor con velocidad variable del compresor. El elemento 16 de calentamiento puede comprender así n elementos con potencias de calentamiento diferentes, siendo n mayor o igual a dos, en donde la potencia Pi de cada elemento de calentamiento i se define por:
en donde Pmax es una potencia de calentamiento máxima.
El calentador 12 de agua comprende además una sonda 13 de temperatura para medir una temperatura del agua Tagua contenida en el calentador de agua. Es posible que el calentador 12 de agua comprenda varias sondas de temperatura dispuestas en distintos puntos del volumen V.
El calentador 12 de agua también incluye un elemento 19 de cálculo y regulación que incluye una tarjeta 18 de regulación conectada al elemento 16 de calentamiento y a la sonda 13 de temperatura para regular el elemento de calentamiento en función de un valor de consigna de temperatura.
El dispositivo 10 de calentamiento de agua puede comprender un sistema 22 de energía renovable, que en el caso particular ilustrado es un sistema fotovoltaico, que suministra al dispositivo energía para calentar el agua. El sistema 22 fotovoltaico comprende uno o más paneles fotovoltaicos que convierten la luz recibida en corriente continua, y un convertidor que convierte la corriente continua producida por los paneles fotovoltaicos en corriente alterna. Se entiende que el convertidor puede ser opcional. El dispositivo 10 de calentamiento de agua también se alimenta de energía por la red 23 eléctrica convencional.
El elemento 19 de cálculo y regulación puede incluir un gestor 15 de energía en comunicación con la tarjeta 18 de regulación. El gestor 15 de energía permite regular el aporte de energía al calentador de agua en proporciones variables procedentes del sistema 22 fotovoltaico y de la red 23 eléctrica convencional. La potencia de calentamiento que debe ordenarse al elemento 16 de calentamiento puede calcularse por la tarjeta 18 de regulación o determinarse por el gestor 15 de energía. La tarjeta 18 de regulación controla el elemento 16 de calentamiento en función de la potencia de calentamiento.
Según una realización, el gestor 15 de energía, en cooperación con la tarjeta 18 de regulación, permite utilizar el calentador 14 de agua como medio de almacenamiento de la energía excedente producida por los paneles fotovoltaicos en forma de energía térmica. En algunos casos, en efecto, el sistema 22 fotovoltaico puede producir más energía de la que necesitan las instalaciones. El dispositivo 10 permite que al menos una parte de este excedente de energía fotovoltaica se devuelva al dispositivo 12 de calentamiento de agua en lugar de verterse a la red de suministro con pérdidas. De este modo, la energía que habría tenido que devolverse a la red (es decir, con pérdidas) se transforma en energía térmica calentando el agua del calentador de agua además de su funcionamiento normal. El dispositivo 12 de calentamiento de agua funciona entonces como un dispositivo de almacenamiento de energía, convirtiendo el excedente de energía eléctrica producido por el sistema 22 fotovoltaico en energía térmica (agua calentada). Si el excedente es superior a la potencia de calentamiento posible por el calentador de agua, la diferencia podría alimentarse de nuevo a la red.
El gestor 15 de energía determina un valor de consigna de temperatura que se transmite a la tarjeta 18 de regulación, que a su vez controla el elemento 16 de calentamiento. Este valor de consigna dependerá de la energía renovable prevista procedente del sistema 22 fotovoltaico y de los hábitos de consumo y consignas del local. El valor de consigna de temperatura tiene un valor T1 de base, y un valor T2 de excedente mayor o igual que el valor T1 de base correspondiente a un excedente de energía fotovoltaica disponible. Según una realización, el valor T2 de excedente está comprendido entre el valor T1 de base y 75 °C. Según una realización, el valor T2 de excedente se determina para preservar la integridad del esmalte del depósito y limitar la corrosión.
De este modo, cuando para un día j se dispone de un excedente de energía producido por el sistema fotovoltaico, la tarjeta 18 de regulación está adaptada para determinar el valor de consigna de temperatura para el día j de forma que:
- cuando una predicción de la energía Epvj+1 producida por el sistema 22 fotovoltaico en el día siguiente j+1 sea superior a la predicción del consumo energético del local en ese día, el valor de consigna de temperatura para el mismo día j se fija en el valor T1 de base, y
- cuando la predicción de la energía producida por el sistema 22 fotovoltaico el día siguiente j+1 es inferior a la predicción del consumo de energía de ese día, el valor de consigna de temperatura para el mismo día j se fija en el valor T2 de excedente para calentar el agua contenida en el calentador 12 de agua utilizando el excedente de energía producido por el sistema fotovoltaico disponible el día j. En caso contrario, el valor de consigna de temperatura es el valor T1 de base.
La determinación de la energía producida por el sistema 22 fotovoltaico y la predicción del consumo de energía del local ese día pueden realizarse por el gestor 15 de energía, por la tarjeta 18 de regulación o por ambos. El gestor 15 de energía puede comunicarse con la tarjeta 18 de regulación a intervalos regulares. Se ha comprobado que la comunicación cada 10 minutos garantiza una capacidad de respuesta y una fiabilidad óptimas del sistema (número de conmutaciones de relé).
La predicción del consumo de energía del local para el día j+1 puede ser igual a una energía Sj+1 de extracción prevista para el día j+1 sumada a una energía D(Tj) de pérdida del calentador 12 de agua a la temperatura de consigna aplicada el día j. La energía Sj+1 de extracción prevista para el día j+1 puede tener en cuenta un historial de consumo del local. También puede depender de elementos transmitidos por el propio cliente, como una ausencia programada, por ejemplo. De este modo, aunque haya un excedente disponible, el hecho de que el consumidor no esté presente permite vender el excedente de energía fotovoltaica en lugar de sobrecalentar el calentador 12 de agua, que genera pérdidas.
La predicción de la producción de la energía producida por el sistema 22 fotovoltaico puede realizarse teniendo en cuenta los datos meteorológicos. Estos datos pueden transmitirse en tiempo real, a intervalos regulares, por medios alámbricos o inalámbricos. Por consiguiente, el gestor 15 de energía y/o la tarjeta 18 de regulación pueden adaptarse para recibir datos meteorológicos de un servidor remoto, por ejemplo. El gestor 15 de energía y/o la tarjeta 18 de regulación pueden también o alternativamente estar adaptados para recibir datos basados en un historial o estadísticos internos del calentador de agua.
El valor T2 de excedente puede determinarse como el valor que minimiza la siguiente función:
en donde m es la masa del agua, Sj es la energía de extracción tomada el día j del calentador de agua, Sj+1 es la energía de extracción estimada tomada el día j+1 del calentador de agua, Epvj+1 es la energía producida por el sistema fotovoltaico el día siguiente j+1, D(T1) es la energía de pérdida del calentador de agua a la temperatura T1 de base, D(T2) es la energía de pérdida del calentador de agua a la temperatura T2 de excedente, Cp es la capacidad térmica del agua, y C1 y C2 son dos coeficientes predefinidos según un perfil de optimización.
Según una realización, el coeficiente C1 es representativo de una eficiencia de transformación de la energía procedente del sistema fotovoltaico, y el coeficiente C2 es representativo de una eficiencia de transformación de la energía procedente del sistema eléctrico convencional. El coeficiente C1 puede ser 1 para designar una primera eficacia de transformación de una energía renovable (por ejemplo fotovoltaica) y el coeficiente C2 puede ser 2,5 o 2,1 para designar una segunda eficacia de transformación menos importante que la primera relativa a la eficacia de los medios de producción de energía en Francia y a las pérdidas en las redes eléctricas.
Según otra realización, el coeficiente C1 es representativo de un coste de la energía procedente del sistema fotovoltaico, y el coeficiente C2 es representativo de un coste de la energía procedente del sistema eléctrico convencional. Por ejemplo, C1 = 0 y C2 = 0,15. El coeficiente C1 corresponde al coste medio por kW/h en euros para septiembre de 2019 para la energía fotovoltaica y el coeficiente C2 corresponde al coste medio por kW/h en euros para septiembre de 2019 para la energía procedente de la red eléctrica francesa.
Según otra realización, el coeficiente C1 es representativo de un balance de carbono para la energía renovable y el coeficiente C2 es representativo de un balance de carbono para la energía procedente del sistema eléctrico convencional. Por ejemplo, C1 = 45 u 11 y C2 = 60. El coeficiente C1 corresponde, por ejemplo, a 45 gCO2eq/kWh en el caso de la energía fotovoltaica o corresponde, por ejemplo, a 11 gCO2eq/kWh en el caso de la energía eólica. El coeficiente C2 corresponde, por ejemplo, a 60 gCO2eq/kWh en el caso de la energía procedente de la red eléctrica francesa.

Claims (10)

  1. REIVINDICACIONES 1.Dispositivo (10) de calentamiento de aguadestinado a alimentar un local con agua caliente, comprendiendo el dispositivo: - uncalentador (12) de aguaque comprende: - unelemento (24) de calentamientopara calentar el agua contenida en el calentador de agua, - unasonda (13) de temperaturapara mediruna temperatura del agua Taguacontenida en el calentador de agua; y - unelemento (19) de cálculo y regulaciónconectado al elemento de calentamiento y a la sonda de temperatura para regular el elemento de calentamiento en función de un valor de consigna de temperatura, estando el elemento de cálculo y regulación conectado a unsistema (16) de energía renovable, por ejemplo un sistema fotovoltaico, y a unared (17) eléctricapara suministrar energía al elemento de calentamiento, teniendo el valor de consigna de temperatura unvalor T1 de base, y unvalor T2 de excedentemayor o igual que el valor T1 de base, cuando para un día j se dispone de un excedente de energía producido por el sistema de energía renovable, el elemento de cálculo y regulación está adaptado para determinar el valor de consigna de temperatura para el día j de tal manera que: cuando una predicción de la energía Epvj+1 producida por el sistema de energía renovable en el día siguiente j+1 sea mayor que la predicción del consumo de energía de los locales en ese día, el valor de consigna de temperatura para el mismo día j se fija en el valor T1 de base, y cuando una predicción de la energía producida por el sistema de energía renovable en el día siguiente j+1 es inferior a la predicción del consumo de energía de ese día, el valor de consigna de temperatura para el mismo día j se fija en el valor T2 de excedente para calentar el agua contenida en el calentador de agua utilizando el excedente de energía producido por el sistema de energía renovable disponible en el día j.
  2. 2. Dispositivo de calentamiento según la reivindicación 1, en el que la predicción del consumo de energía del local para el día j+1 es igual a unaenergía Sj+1 de extracciónpredicha para el día j+1 sumada a unaenergía D(Tj) de pérdidadel calentador de agua a la temperatura de consigna aplicada el día j.
  3. 3. Dispositivo de calentamiento de agua según la reivindicación 2, en el que la energía Sj+1 de extracción predicha para el día j+1 tiene en cuenta un historial de consumo del local.
  4. 4. Dispositivo de calentamiento de agua según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, en el que la predicción de la energía Epvj+1 producida por el sistema de energía renovable el día siguiente j+1 se calcula en función de las previsiones meteorológicas y/o datos estadísticos relativos al calentador de agua recibidos de un servidor alejado del dispositivo.
  5. 5. Dispositivo de calentamiento de agua según una de las reivindicaciones 1 a 4, en el que el valor T2 de excedente se determina como el valor que minimiza la siguiente función:
    en donde m es la masa del agua, Sj es la energía de extracción tomada el día j del calentador de agua, Sj+1 es la energía de extracción estimada tomada el día j+1 del calentador de agua, Epvj+1 es la energía producida por el sistema de energía renovable el día j+1 siguiente, D(T1) es la energía de pérdida del calentador de agua a la temperatura T1 de base, D(T2) es la energía de pérdida del calentador de agua a la temperatura T2 de excedente, Cp es la capacidad térmica del agua, y C1 y C2 son dos coeficientes predefinidos según un perfil de optimización.
  6. 6. Dispositivo de calentamiento de agua según la reivindicación anterior, en el que el coeficiente C1 es representativo de una eficiencia de transformación de la energía procedente del sistema de energía renovable, y el coeficiente C2 es representativo de una eficiencia de transformación de la energía procedente del sistema eléctrico convencional, por ejemplo C1 = 1 y C2 = 2,5 o 2,1.
  7. 7. Dispositivo de calentamiento de agua según la reivindicación 5, en el que el coeficiente C1 es representativo de un coste de la energía procedente del sistema de energía renovable, y el coeficiente C2 es representativo de un coste de la energía procedente del sistema eléctrico convencional, por ejemplo C1 = 0 y C2 = 0,15.
  8. 8. Dispositivo de calentamiento de agua según la reivindicación 5, en el que el coeficiente C1 es representativo de un balance de carbono para la energía renovable y el coeficiente C2 es representativo de un balance de carbono para la energía procedente del sistema eléctrico convencional, por ejemplo C1 = 45 u 11 y C2 = 60.
  9. 9. Dispositivo de calentamiento de agua según una de las reivindicaciones anteriores, en el que el elemento de cálculo y regulación incluye una tarjeta (18) de regulación que controla una potencia de calentamiento del elemento de calentamiento en función de los valores de consigna de temperatura.
  10. 10. Dispositivo de calentamiento de agua según la reivindicación anterior, en el que el elemento de cálculo y regulación incluye además ungestor (15) de energíaconectado por una parte a la tarjeta de regulación y por otra parte al sistema de energía renovable y a la red eléctrica, estando el gestor de energía adaptado para determinar los valores de consigna de temperatura en función de las predicciones de la energía Epvj+1 producida por el sistema de energía renovable y las predicciones del consumo de energía del local ese día, el gestor de energía está adaptado para comunicar los valores de consigna de temperatura con la tarjeta de regulación a intervalos regulares, por ejemplo, de aproximadamente 10 minutos.
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