ES3040484T3 - Modular geothermal energy center - Google Patents

Modular geothermal energy center

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ES3040484T3
ES3040484T3 ES23472007T ES23472007T ES3040484T3 ES 3040484 T3 ES3040484 T3 ES 3040484T3 ES 23472007 T ES23472007 T ES 23472007T ES 23472007 T ES23472007 T ES 23472007T ES 3040484 T3 ES3040484 T3 ES 3040484T3
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ES
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cooling
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geothermal
hot water
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ES23472007T
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Georgi Dinkov Petrov
Vladimir Krumov Hranov
Kristiian Petrov Hristov
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Re Energy Eng Eood
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Re Energy Eng Eood
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Abstract

La invención se refiere a un centro modular de energía geotérmica que se aplicará en ingeniería térmica, y en particular, proporcionará calefacción y refrigeración en edificios de nueva construcción o existentes. El centro modular de energía geotérmica incluye un contenedor principal (1) en el que se instala al menos una bomba de calor geotérmica (2), con una sección de condensación y otra de evaporación. La sección de evaporación de cada bomba de calor geotérmica (2) se conecta mediante perforaciones a fuentes geotérmicas, mientras que la sección de condensación (2) puede conectarse a una instalación de calefacción y refrigeración, así como a una instalación de suministro de agua caliente. El centro modular de energía geotérmica cuenta con una unidad de gestión de fluidos de transferencia de calor (5), que incluye válvulas de tres vías controladas electrónicamente, y uno o más módulos adicionales (7, 12, 13) con equipos para el suministro de agua caliente y la instalación interior para calefacción y refrigeración. Todos los modos de funcionamiento del centro modular de energía geotérmica se controlan mediante una fuente de alimentación y un panel de control (21). (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN
Centro de energía geotérmica modular
Campo técnico
La invención se refiere a un centro de energía geotérmica modular que encontrará aplicación en ingeniería térmica y en particular servirá para proporcionar energía de calentamiento y enfriamiento en edificios de nueva construcción o existentes.
Antecedentes de la técnica
Con los requisitos modernos de reducción del consumo de combustibles fósiles y de mejora de la eficiencia energética de los sistemas de aire acondicionado, la demanda de tecnologías y sistemas que utilicen fuentes de energía renovables ha aumentado significativamente. Una fuente de energía renovable de este tipo es la corteza terrestre, que tiene un potencial de calor interno prácticamente inagotable procedente de las entrañas de la Tierra. Las bombas de calor utilizan la tecnología más eficiente para convertir el calor de bajo potencial en calor con parámetros adecuados para alimentar sistemas de calentamiento y enfriamiento. Con esta tecnología, 75 a 82% del calor suministrado proviene del campo terrestre, mientras que 18 a 25% se introduce en el sistema en forma de energía eléctrica. Las bombas de calor geotérmicas utilizan energía de bajo potencial de la corteza terrestre y producen agua caliente para calentamiento en invierno y agua caliente para necesidades domésticas durante todo el año transformando la energía de bajo potencial extraída de la tierra en energía de alto potencial. En las estaciones de transición, las bombas de calor proporcionan enfriamiento pasivo a través del campo terrestre, y en los días más calurosos el enfriamiento es activo mediante el ciclo de refrigeración. Con el enfriamiento activo, el calor de condensación se puede aprovechar para generar agua caliente doméstica.
Del documento EP2597379 se conoce un sistema de bomba de calor de este tipo, que describe un centro de energía geotérmica modular que comprende un contenedor en el que está instalada una bomba de calor geotérmica que tiene una parte condensadora y una parte evaporadora. La parte condensadora de la bomba de calor geotérmica se puede conectar a la instalación de enfriamiento, así como a una instalación de agua caliente doméstica. A la parte de evaporación de la bomba de calor geotérmica está conectada hidráulicamente una unidad de bombeo para fluido de transferencia de calor, ubicada en el contenedor e incluyendo al menos una bomba de circulación controlada electrónicamente. Esta bomba controlada electrónicamente debe tener alta presión porque es necesario proporcionar bombeo de agua desde un pozo (sistema abierto), lo que requiere una alta presión para superar la presión estática de la columna de agua y un alto consumo de energía de la bomba. Con el sistema de bomba de calor conocido, no se prevén otros modos de funcionamiento, excepto el modo de suministro de calor al sistema de aire acondicionado y el modo de producción de agua caliente doméstica. Además, la solución técnica conocida del documento EP2597379 funciona tanto en un modo como en el otro, no previendo el suministro simultáneo de enfriamiento al sistema de aire acondicionado y de calor para producir agua caliente doméstica. El conocido sistema de bomba de calor requiere un alto consumo energético en ambos modos de funcionamiento, ya que utiliza una bomba de alta presión y ventiladores, que consumen mucha energía. El uso del espacio del contenedor como cámara de aire cuando se trabaja con intercambiadores de calor aire/agua significa que la temperatura del aire en el espacio del contenedor siempre será aproximadamente igual a la temperatura exterior, lo que es perjudicial para el equipo a temperaturas exteriores extremadamente bajas y extremadamente altas.
Los documentos CN 114263973 A y SE 2150698 A1 divulgan otros centros de energía geotérmica modulares que comprenden las características del preámbulo de la reivindicación 1.
Divulgación de la invención
El objeto de la presente invención es crear un sistema de bomba de calor geotérmica mejorado, eficiente y compacto, que es un centro de energía modular, que brinda la oportunidad de maximizar la utilización de los recursos naturales dados a través de una gestión óptima de los modos de operación, al tiempo que garantiza que el centro modular también sea fácil de operar y mantener a costes operativos mínimos.
El objetivo del proyecto es proporcionar un centro de energía geotérmica modular, que incluye un contenedor principal en el que está instalada al menos una bomba de calor geotérmica que tiene una parte evaporadora y una parte condensadora. La parte evaporadora de la bomba de calor geotérmica está conectada mediante tuberías con un fluido de transferencia de calor intermedio a una unidad de circulación geotérmica, la cual está instalada en el contenedor principal. La unidad de circulación geotérmica incluye al menos una bomba de circulación controlada electrónicamente, cuya bomba de circulación está conectada mediante tuberías con un fluido fuente de bajo potencial a al menos un intercambiador de calor tubular ubicado en al menos un pozo geotérmico. Dicho intercambiador de calor tubular es una fuente principal de fluido de bajo potencial para la bomba de calor geotérmica. La parte condensadora de la bomba de calor geotérmica está conectada mediante tuberías a una instalación de calentamiento y enfriamiento, así como a una instalación de agua caliente doméstica.
De acuerdo con la presente invención, la parte evaporadora de la bomba de calor geotérmica a través de una unidad de conexión de la parte evaporadora está conectada mediante tuberías con un fluido de enfriamiento a una unidad de gestión de fluidos de transferencia de calor. La unidad de gestión de fluidos de transferencia de calor a través de una unidad de conexión de la parte condensadora está conectada mediante tuberías con un fluido de calentamiento a la parte condensadora de la bomba de calor geotérmica. La unidad de conexión de la parte evaporadora, la unidad de conexión de la parte condensadora y la unidad de gestión de fluidos de transferencia de calor están instaladas en el contenedor principal. La unidad de conexión de la parte condensadora está conectada además mediante tuberías con un fluido de calentamiento a una unidad de distribución de agua caliente. La unidad de distribución de agua caliente se instala en el contenedor principal y está configurada para dirigir el fluido de transferencia de calor a través de válvulas de tres vías a dicha instalación de agua caliente doméstica o a la unidad de gestión de fluidos de transferencia de calor. La unidad de gestión de fluidos de transferencia de calor está conectada mediante tuberías con un fluido de transferencia de calor intermedio a la unidad de circulación geotérmica y la unidad de gestión de fluidos de transferencia de calor está conectada mediante tuberías con un fluido de calentamiento o enfriamiento a un intercambiador de calor de placas. El intercambiador de calor de placas también está instalado en el contenedor principal y está configurado para conectarse a dicha instalación de calentamiento y enfriamiento. Después de cada uno de dichos pozos geotérmicos y después de la unidad de gestión de fluidos de transferencia de calor, respectivamente antes de la unidad de circulación geotérmica y antes del intercambiador de calor de placas, se conectan mediante tuberías unidades de seguridad. Las unidades de seguridad están instaladas en el contenedor principal y cada unidad de seguridad incluye uno o más vasos de expansión cerrados con válvulas de seguridad. En el contenedor principal se instala además una estación de recarga de fluidos de transferencia de calor, conectada a la unidad de circulación geotérmica, así como un panel de suministro de potencia y control.
En una realización del centro de energía geotérmica modular, de acuerdo con la invención, la unidad de distribución de agua caliente está conectada mediante tuberías al módulo de suministro de agua caliente. El módulo de suministro de agua caliente incluye una unidad de conexión de agua caliente y una unidad de suministro de agua caliente doméstica. La unidad de conexión de agua caliente incluye a su vez al menos un intercambiador de calor, al menos un vaso de expansión y al menos una bomba de circulación, que están conectados mediante tuberías a la unidad de suministro de agua caliente doméstica. La unidad de suministro de agua caliente doméstica, por otra parte, incluye una o más calderas de agua configuradas para conectarse mediante tuberías a dicha instalación de suministro de agua caliente doméstica.
En otra realización del centro de energía geotérmica modular, de acuerdo con la presente invención, dicho intercambiador de calor de placas está conectado mediante tuberías a un módulo de calentamiento y enfriamiento. El módulo de calentamiento y enfriamiento incluye una unidad de conexión de calentamiento y enfriamiento y una unidad de almacenamiento de energía. La unidad de almacenamiento de energía incluye a su vez uno o más depósitos de inercia conectados mediante tuberías a la unidad de conexión de calentamiento y enfriamiento. La unidad de conexión de calentamiento y enfriamiento, por otra parte, incluye al menos una bomba de circulación controlada electrónicamente y colectores configurados para conectarse mediante tuberías a dicha instalación de calentamiento y enfriamiento.
En otra realización del centro de energía geotérmica modular, de acuerdo con la presente invención, la unidad de conexión de agua caliente del módulo de suministro de agua caliente está conectada además mediante tuberías a un módulo de consumo de calor adicional. El módulo de consumo de calor adicional incluye una unidad de conexión de consumo de calor adicional y una unidad de almacenamiento de energía secundaria. La unidad de almacenamiento de energía secundaria incluye a su vez uno o más depósitos de inercia conectados mediante tuberías a la unidad de conexión de consumo de calor secundario. La unidad de conexión de consumo de calor adicional, por otra parte, incluye al menos una bomba de circulación controlada electrónicamente y colectores configurados para conectarse mediante tuberías a al menos un consumidor de calor adicional.
En otra realización más del centro de energía geotérmica modular, de acuerdo con la presente invención, al menos un calentador de agua, configurado para funcionar con combustible de hidrógeno, está conectado mediante tuberías después de dicho intercambiador de calor de placas como fuente secundaria de fluido de calentamiento para la instalación de calentamiento y enfriamiento, y al menos un enfriador de aire seco está conectado a la unidad de circulación geotérmica como fuente secundaria de fluido de bajo potencial para la bomba de calor geotérmica.
En una realización adicional del centro de energía geotérmica modular, de acuerdo con la presente invención, el módulo de suministro de agua caliente y/o el módulo de calentamiento y enfriamiento y/o el módulo de calentamiento adicional y/o dicho al menos un calentador de agua y/o dicho al menos un enfriador de aire seco se instala en el contenedor principal o respectivamente en al menos un contenedor adicional.
En una realización alternativa, de la presente invención, en la que la gestión y el control del centro de energía geotérmica modular se realiza mediante el panel de suministro de potencia y control, al menos una fuente de temperatura del aire exterior, al menos un sensor de temperatura del aire interior, al menos un sensor de temperatura del fluido de calentamiento o enfriamiento, al menos un sensor de temperatura del fluido de bajo potencial primario y al menos un sensor de temperatura del fluido de bajo potencial secundario están conectados al panel de suministro de potencia y control. El panel de suministro de potencia y control tiene una sección de control y una sección de adquisición. La sección de adquisición está configurada para obtener datos de temperatura en tiempo real respectivamente de la fuente de temperatura del aire exterior, del sensor de temperatura del aire interior, del sensor de temperatura del fluido de calentamiento o enfriamiento, del sensor de temperatura del fluido de bajo potencial principal y del sensor de temperatura del fluido de bajo potencial secundario. La sección de control está configurada para conmutar dicha instalación de calentamiento y enfriamiento al modo de calentamiento o enfriamiento conmutando respectivamente el fluido de calentamiento o enfriamiento desde la unidad de gestión de fluidos de transferencia de calor al intercambiador de calor de placas, y la sección de control está configurada además para encender/apagar la bomba de calor geotérmica.
En una realización preferida, en la que la gestión y el control del centro de energía geotérmica modular se realizan mediante el panel de suministro de potencia y control de acuerdo con la presente invención, la sección de control está configurada además para conmutar la instalación de calentamiento y enfriamiento al modo de calentamiento a una temperatura del aire exterior inferior a una temperatura del aire exterior predeterminada para el modo de calentamiento. La sección de control está configurada además para mantener el modo de funcionamiento actual de la instalación de calentamiento y enfriamiento a una temperatura del aire exterior más alta que la temperatura del aire exterior predeterminada para el modo de calentamiento. La sección de control está configurada además para cambiar la instalación de calentamiento y enfriamiento al modo de enfriamiento cuando la temperatura del aire exterior es mayor que la temperatura del aire exterior predeterminada para el modo de enfriamiento. Además, la sección de control está configurada para apagar la bomba de calor geotérmica cuando la temperatura del aire exterior es inferior a la temperatura del aire exterior predeterminada para el modo de enfriamiento. Dichas temperaturas del aire exterior predeterminadas para el modo de calentamiento y enfriamiento se establecen en la sección de control y dicha temperatura del aire exterior se obtiene en la sección de adquisición a partir de dicha al menos una fuente de temperatura del aire exterior.
En otra realización preferida, en la que la gestión y el control del centro de energía geotérmica modular se realizan mediante el panel de suministro de potencia y control de acuerdo con la presente invención, la sección de control está configurada además para conmutar la instalación de calentamiento y enfriamiento al modo de calentamiento o enfriamiento y para encender/apagar la bomba de calor geotérmica en función de la temperatura del aire interior en tiempo real obtenida en la sección de adquisición de dicho al menos un sensor de temperatura del aire interior y en función de una temperatura del aire interior predeterminada establecida en la sección de control.
En otra realización preferida, en la que la gestión y el control del centro de energía geotérmica modular se realizan mediante el panel de suministro de potencia y control de acuerdo con la presente invención, la sección de control está configurada además para conmutar la instalación de calentamiento y enfriamiento al modo de calentamiento o enfriamiento y para encender/apagar la bomba de calor geotérmica en función de un valor predeterminado de una función lógica. Dicho valor predeterminado de la función lógica se basa en diferencias entre la temperatura en tiempo real del fluido de calentamiento o enfriamiento y una temperatura predeterminada del fluido de calentamiento o enfriamiento, diferencias que se acumulan en la sección de control durante un intervalo de tiempo predeterminado. Dicho valor predeterminado de una función lógica, la temperatura predeterminada del fluido de calentamiento o enfriamiento y un intervalo de tiempo predeterminado se establecen en la sección de control. Dicha temperatura en tiempo real del fluido de calentamiento o enfriamiento se obtiene en la sección de adquisición a partir de dicho al menos un sensor de temperatura del fluido de calentamiento o enfriamiento.
En otra realización más del centro de energía geotérmica modular de acuerdo con la presente invención, la sección de control está configurada además en dicho modo de calentamiento de la instalación de calentamiento y enfriamiento para seleccionar el fluido fuente de bajo potencial para la bomba de calor geotérmica conmutando la fuente de suministro del fluido de bajo potencial entre dicho al menos un intercambiador de calor de tubos y dicho al menos un enfriador de aire seco seleccionando el fluido fuente con mayor temperatura obtenida en la sección de adquisición de dicho al menos un sensor de temperatura de fluido de bajo potencial principal y de dicho al menos un sensor de temperatura de fluido de bajo potencial secundario. Además, en dicho modo de calentamiento de la instalación de calentamiento y enfriamiento, la sección de control está configurada además para encender dicha al menos una caldera de agua como fuente secundaria de fluido de calentamiento para la instalación de calentamiento y enfriamiento a una temperatura del aire exterior inferior a una temperatura del aire exterior predeterminada para el funcionamiento de la caldera de agua y en un intervalo predeterminado de valores de dicha función lógica. Dicho intervalo predeterminado de valores y dicha temperatura del aire exterior predeterminada para el funcionamiento de la caldera de agua se establecen en la sección de control. Dicha temperatura del aire exterior se obtiene de dicha al menos una fuente de temperatura del aire exterior en la sección de adquisición.
En una realización adicional del centro de energía geotérmica modular de acuerdo con la presente invención, la sección de control está configurada además en dicho modo de enfriamiento de la instalación de calentamiento y enfriamiento para cambiar a un modo de enfriamiento pasivo seleccionando dicho al menos un intercambiador de calor tubular como fuente de suministro de fluido de enfriamiento para la instalación de calentamiento y enfriamiento a una temperatura de fluido de enfriamiento más baja que una temperatura de fluido de fuente predeterminada para enfriamiento activo, establecida en la sección de control. Además, en dicho modo de enfriamiento de la instalación de calentamiento y enfriamiento, la sección de control está configurada además en dicho modo de enfriamiento de la instalación de calentamiento y enfriamiento para conmutar a un modo de enfriamiento activo seleccionando dicha parte evaporadora de la bomba de calor geotérmica como fuente de suministro de fluido de enfriamiento para la instalación de calentamiento y enfriamiento a una temperatura de fluido de enfriamiento más alta que la temperatura de fluido de fuente predeterminada para enfriamiento activo, establecida en la sección de control. Dicha temperatura del fluido de suministro se obtiene en la sección de adquisición a partir de dicho al menos un sensor principal de temperatura del fluido de bajo potencial. Además, en dicho modo de enfriamiento activo, la sección de control está configurada además para seleccionar la fuente de fluido de bajo potencial para la bomba de calor geotérmica conmutando la fuente de fluido de suministro desde dicho al menos un intercambiador de calor de tubo o dicho al menos un enfriador de aire seco, seleccionando el fluido fuente con una temperatura más baja obtenida en la sección de adquisición desde dicho al menos un sensor de temperatura de fluido de bajo potencial principal y desde dicho al menos un sensor de temperatura de fluido de bajo potencial secundario.
El centro de energía geotérmica modular es un sistema de agua caliente doméstica, calentamiento y enfriamiento que utiliza un campo de pozos geotérmicos con sondeos correspondientes para una fuente de energía primaria. El centro de energía geotérmica modular utiliza una bomba de calor geotérmica que proporciona suministro de agua caliente doméstica, calentamiento, enfriamiento activo y pasivo, mientras que un sistema de válvulas de tres vías controladas electrónicamente proporciona calentamiento y enfriamiento simultaneaos, y también se puede conectar además a circuitos de circulación que requieren fluidos de calentamiento o enfriamiento con diferente potencial de temperatura. Gracias al centro de energía geotérmica modular se puede lograr un importante ahorro de fuentes de energía primarias como los combustibles fósiles y se puede alcanzar un alto grado de satisfacción de la creciente necesidad de soluciones flexibles en el mercado. La solución técnica, de acuerdo con la presente invención, ofrece la posibilidad de producción en masa, gracias al completo equipamiento fabril del centro y al uso de unidades de montaje estándar preparadas previamente, consiguiendo así una rápida entrega de diversas soluciones técnicas en función de las necesidades del cliente. El centro de energía geotérmica modular es fácil de instalar en una amplia gama de edificios (objetos con diferentes propósitos) y es fácil de reparar y mantener, debido a los elementos estandarizados ubicados en uno o varios contenedores, sin tener que acceder a otras partes de los edificios.
Breve descripción de los dibujos
Las figuras que representan realizaciones específicas del centro de energía geotérmica modular son solo ejemplares y no pretenden limitar la presente invención, su aplicación o uso, en donde:
Las Figuras 1 y 2 muestran vistas isométricas del contenedor principal del centro de energía geotérmica modular, de acuerdo con una realización básica de la invención;
La Figura 3 muestra un esquema del contenedor principal de acuerdo con una realización básica de la presente invención, y las Figuras 3a y 3b muestran vistas ampliadas de partes de la Figura 3;
La Figura 4 muestra un esquema del módulo de suministro de agua caliente doméstica de acuerdo con la invención;
La Figura 5 muestra un esquema del módulo de calentamiento y enfriamiento de acuerdo con la invención;
La Figura 6 muestra un esquema del módulo de consumo de calor adicional de acuerdo con la invención;
Las Figuras 7 y 8 muestran una variante ejemplar para la conexión de dicha al menos una caldera de calentamiento de agua y respectivamente dicho al menos un enfriador de aire seco, de acuerdo con la invención;
La Figura 9 muestra un esquema del centro de energía geotérmica modular que cuenta con un contenedor principal, así como módulos adicionales de calentamiento y enfriamiento, un módulo de agua caliente doméstica y un módulo adicional de consumo de calor, de acuerdo con otra realización de la invención.
La Figura 10 divulga un esquema de conexión del panel de suministro de potencia y control a las fuentes de temperatura y sensores.
Modos de realización de la invención
A menos que se defina lo contrario, todos los términos utilizados en la divulgación de la invención, incluyendo los términos técnicos y científicos, tienen el significado comúnmente entendido por una persona con conocimientos ordinarios en la técnica a la que pertenece esta invención. A modo de orientación adicional, se incluyen definiciones de términos para apreciar mejor la enseñanza de la presente invención.
Si bien los términos "uno o más" o "al menos uno", tal como una o más o al menos una característica(s) de un grupo de características, son claros en sí mismos, mediante una ejemplificación adicional, el término abarca, entre otras cosas, una referencia a una cualquiera de dichas características, o a cualesquiera dos o más de dichas características, tal como, por ejemplo, cualesquiera >3, >4, >5, >6 o >7, etc. de dichas características, y hasta todas dichas características.
La referencia en esta especificación a "una realización (variante)" o "realización (variante)" significa que una característica, estructura o característica particular descrita en relación con la realización está incluida en al menos una realización divulgada en la presente invención. Por lo tanto, no es necesario que todas las expresiones "en una realización" o "en la realización" que aparecen en diferentes lugares de esta especificación se refieran a la misma realización. Además, las características, estructuras o propiedades se pueden combinar de cualquier manera adecuada que sea evidente para un experto en la técnica de la presente divulgación en una o más realizaciones. Además, aunque algunas de las realizaciones descritas en este documento incluyen algunas, pero no otras características que están incluidas en otras realizaciones, las combinaciones de las características de diferentes realizaciones están incluidas dentro del alcance de la invención y constituyen diferentes realizaciones, como lo entenderían los especialistas en el campo. Por ejemplo, todas las variantes reivindicadas en las presentes reivindicaciones pueden utilizarse en cualquier combinación.
Los siguientes términos utilizados en la presente invención tienen los siguientes significados:
Los términos "contenedor principal", "contenedor adicional" o para abreviar "contenedor" como se utilizan en el presente documento se refieren a un contenedor intermodal, a menudo denominado contenedor de envío, que es un contenedor estandarizado grande para envío diseñado y construido en este caso particular preferiblemente de estructura de soporte de metal recubierto de polvo que tiene paredes y un techo de paneles de tres capas con 50 a 100 mm de aislamiento térmico de espuma de poliuretano y lámina metálica recubierta de polvo, así como un piso de lámina metálica corrugada, que puede ser de acero inoxidable, aluminio o de otro tipo de acuerdo con la preferencia del cliente.
El término "bomba de calor geotérmica", tal como se utiliza en el presente documento, se refiere a una unidad de calentamiento/enfriamiento para edificios que utiliza una bomba de calor para transferir calor hacia o desde el suelo aprovechando la temperatura relativamente constante durante las estaciones bajo tierra. La unidad de bomba de calor geotérmica es una máquina cuyo principio de funcionamiento se basa en el "Ciclo de Carnot Inverso" y generalmente tiene un condensador, una válvula de estrangulamiento, un evaporador y un compresor, dividiendo la unidad condicionalmente en una parte condensadora y una parte evaporadora, partes condensadoras y evaporadoras que tienen un significado esencial en la presente invención.
El término "unidad unificada" o para abreviar "unidad", utilizado en el presente documento, se refiere a diferentes unidades funcionales en el sistema, cada una con una función distinta dependiendo del equipo correspondiente en ellas e incluyendo equipos de control y regulación para la conmutación y regulación automática de los modos del centro de energía geotérmica modular y/o equipo, permitiendo la prevención y el servicio sin una interrupción completa del funcionamiento del centro de energía geotérmica modular.
El término "conectado(s) por tuberías" o simplemente "entubado", utilizado en el presente documento, se refiere a la conexión por medio de tuberías de suministro y retorno, que se utilizan para separar circuitos de circulación con fluidos de transferencia de calor entre los módulos funcionales individuales del sistema, así como entre los elementos individuales del sistema. Además, los términos "fluidos de transferencia de calor", "fluido fuente de bajo potencial", "fluido principal de bajo potencial", "fluido secundario de bajo potencial", "fluido de transferencia de calor intermedio", "fluido fuente" y "fluido de calentamiento o enfriamiento", tal como se utilizan en el presente documento, se refieren al propósito de cada fluido individual en el circuito de circulación respectivo del centro de energía geotérmica modular, independientemente del tipo de fluido específico utilizado.
La presente invención se refiere a un centro de energía geotérmica modular, mostrado en general en las Figuras 1 y 2, que es una unidad operativa principal alojada en un contenedor 1 principal. En el contenedor 1 principal está instalada al menos una bomba 2 de calor geotérmica, para cuyo uso está previsto un campo con pozos geotérmicos con sus correspondientes sondeos conectados a pozos de distribución de colectores subterráneos. La profundidad de cada sondeo depende de las características geológicas, del área en que se ubican y de la carga proporcionada por el campo terrestre. En cada uno de ellos se bajan intercambiadores 8.1 de calor tubulares con dos o cuatro tubos, conectados de fábrica por su extremo inferior. Se recomienda rellenar los sondeos con cemento térmico con alto coeficiente de conductividad térmica. Es conveniente colocar en cada sondeo cuatro tuberías, que en la superficie se unen en dos de mayor diámetro (ida y retorno) y se conducen bajo tierra hasta un colector de ida y retorno en un pozo de colectores. Los colectores están equipados con medidores de caudal y válvulas reguladoras para igualar los caudales. El número de sondeos se puede optimizar después de realizar una prueba de conductividad térmica de las capas del suelo del sitio del inversor con simulaciones de la distribución de la energía obtenida de diferentes números de pozos geotérmicos. Con base en los resultados obtenidos se puede calcular el número de sondeos necesarios.
En las Figuras 3, 3a y 3b se muestran esquemas detallados del contenedor 1 principal del centro de energía geotérmica modular, en los que se puede observar que cada bomba 2 de calor geotérmica está configurada en general para ser conectada por sus correspondientes bombas de circulación, equipos de seguridad, regulación y otros tipos, así como equipos adicionales que aseguran su funcionamiento, los cuales son bien conocidos por cualquier especialista en el campo. Cada bomba 2 de calor geotérmica tiene principalmente una parte evaporadora y una parte condensadora, cuya parte evaporadora está destinada a conectarse a dicho campo con pozos geotérmicos, y la parte condensadora de la bomba 2 de calor geotérmica está conectada mediante tuberías a una instalación de calentamiento y enfriamiento, así como a una instalación de suministro de agua caliente doméstica. Para este fin, la parte evaporadora de la bomba 2 de calor geotérmica, a través de una unidad 3 de conexión de parte evaporadora, está conectada mediante tuberías con un fluido refrigerante a una unidad 5 de gestión de fluidos de transferencia de calor, cuya unidad 5 de gestión de fluidos de transferencia de calor, a través de una unidad 4 de conexión de parte condensadora, está conectada mediante tuberías con un fluido de calentamiento a la parte condensadora de la bomba 2 de calor geotérmica. La unidad 3 de conexión de parte evaporadora, la unidad 4 de conexión de parte condensadora y la unidad 5 de gestión de fluidos de transferencia de calor están instaladas en el contenedor 1 principal.
La bomba 2 de calor geotérmica está conectada a dicho campo con pozos geotérmicos a través de la unidad 5 de gestión de fluidos de transferencia de calor, la cual está conectada mediante tuberías con un fluido de transferencia de calor intermedio a la unidad 8 de circulación geotérmica, que está instalada en el contenedor 1 principal. La unidad 8 de circulación geotérmica incluye al menos una bomba de circulación controlada electrónicamente. La bomba de circulación de la unidad 8 de circulación geotérmica está conectada mediante tuberías con un fluido fuente de bajo potencial a los colectores de suministro y retorno de dichos pozos geotérmicos con dicho al menos un intercambiador 8.1 de calor tubular. Cada intercambiador 8.1 de calor tubular es una fuente principal de fluido de bajo potencial para la unidad 8 de circulación geotérmica, cuya unidad 8 de circulación geotérmica está conectada mediante tuberías a la unidad 5 de gestión de fluidos de transferencia de calor con un fluido de transferencia de calor intermedio a través de la unidad 3 de conexión de parte de evaporación a la parte de evaporación de la bomba 2 de calor geotérmica.
La bomba 2 de calor geotérmica está conectada a dicha instalación de calentamiento y enfriamiento, así como a dicha instalación de suministro de agua caliente doméstica a través de la unidad 4 de conexión de parte condensadora, cuya unidad 4 de conexión de parte condensadora, además de estar conectada mediante tuberías con fluido de calentamiento a la unidad 5 de gestión de fluidos de transferencia de calor, está además conectada mediante tuberías con fluido de calentamiento a una unidad 6.1 de distribución de agua caliente. La unidad 6.1 de distribución de agua caliente también está instalada en el contenedor 1 principal y está configurada para dirigir fluido de calentamiento a través de válvulas de tres vías a dicha instalación de suministro de agua caliente doméstica o a la unidad 5 de gestión de fluidos de transferencia de calor. La unidad 5 de gestión de fluidos de transferencia de calor, a su vez, está conectada mediante tuberías con fluidos de calentamiento o enfriamiento a un intercambiador 9 de calor de placas. El intercambiador 9 de calor de placas está instalado en el contenedor 1 principal y está configurado para conectarse a dicha instalación de calentamiento y enfriamiento.
En el centro de energía geotérmica modular se prevén unidades 10 de seguridad, instaladas en el contenedor 1 principal y que incluyen cada una de ellas al menos un vaso de expansión cerrado con válvulas de seguridad. Al menos una de las unidades 10 de seguridad está conectada mediante tuberías a los colectores de suministro y retorno de dichos pozos geotérmicos antes de la unidad 8 de circulación geotérmica, y otra está conectada mediante tuberías después de la unidad 5 de gestión de fluidos de transferencia de calor antes del intercambiador 9 de calor de placas. Las unidades 10 de seguridad garantizan la seguridad del centro de energía geotérmica modular y absorben la expansión de temperatura del medio de transferencia de calor. Además, en el contenedor 1 principal están instaladas una estación 11 de reposición de fluido de transferencia de calor conectada a la unidad 8 de circulación geotérmica, así como un panel 21 de alimentación y control del centro de energía geotérmica modular.
En una realización, de acuerdo con la presente invención, mostrada en detalle en la Figura 4, la unidad 6.1 de distribución de agua caliente puede conectarse mediante tuberías a un módulo 7 de suministro de agua caliente. El módulo 7 de suministro de agua caliente incluye una unidad 6.2 de conexión de agua caliente y una unidad 6.3 de suministro de agua caliente doméstica. La unidad 6.2 de conexión de agua caliente, a su vez, incluye al menos un intercambiador de calor, al menos un vaso de expansión y al menos una bomba de circulación, que están conectados mediante tuberías a la unidad 6.3 de suministro de agua caliente doméstica. La unidad 6.3 de suministro de agua caliente doméstica incluye una o más calderas de agua configuradas para conectarse mediante tuberías a dicha instalación de suministro de agua caliente doméstica.
En otra realización, de acuerdo con la presente invención, mostrada en detalle en la Figura 5, dicho intercambiador 9 de calor de placas puede ser conectado por tuberías a un módulo 12 de calentamiento y enfriamiento. El módulo 12 de calentamiento y enfriamiento incluye una unidad 14 de conexión de calentamiento y enfriamiento y una unidad 15 de almacenamiento de energía. La unidad 15 de almacenamiento de energía incluye uno o más depósitos de inercia conectados por tuberías a la unidad 14 de conexión de calentamiento y enfriamiento. La unidad 14 de conexión de calentamiento y enfriamiento incluye al menos una bomba de circulación controlada electrónicamente y colectores configurados para conectarse mediante tuberías a dicha instalación de calentamiento y enfriamiento.
En la realización, de acuerdo con la presente invención, que incluye el módulo 7 de suministro de agua caliente 0 en una realización adicional que combina las dos realizaciones anteriores, la unidad 6.2 de conexión de agua caliente del módulo 7 de suministro de agua caliente puede ser conectada además por tuberías a un módulo 13 de consumo de calor adicional, como se muestra en detalle en la Figura 6. El módulo 13 de consumo de calor adicional incluye una unidad 16 de conexión de consumo de calor adicional y una unidad 17 de almacenamiento de energía secundaria. La unidad 17 de almacenamiento de energía secundaria, a su vez, incluye uno o más depósitos de inercia, conectados a la unidad 16 de conexión de consumo de calor adicional. La unidad 16 de conexión de consumo de calor adicional incluye al menos una bomba de circulación controlada electrónicamente y colectores configurados para conectarse mediante tuberías a al menos un consumidor de calor adicional tal como una piscina, un intercambiador de calor para refrigerar espacios o un circuito climático no estándar tal como un almacén refrigerado, una piscina de "hielo", un jacuzzi y similares consumidores de energía térmica externa.
En otras realizaciones, de acuerdo con la presente invención, al menos un calentador 19 de agua puede conectarse a continuación de dicho intercambiador 9 de calor de placas, preferiblemente conectado mediante tuberías directamente al módulo 12 doméstico y de enfriamiento, tal como se muestra en detalle en la Figura 7. Dicho al menos un calentador 19 de agua funciona preferiblemente con combustible de hidrógeno y está configurado para funcionar como fuente secundaria de fluido de calentamiento para la instalación de calentamiento y enfriamiento. Además, al menos un enfriador 20 de aire seco se puede conectar a la unidad 8 de circulación geotérmica como fuente secundaria de fluido de bajo potencial para la bomba 2 de calor geotérmica, como se muestra en detalle en la Figura 8. Esto proporciona al menos dos fuentes de fluido de bajo potencial para el centro de energía geotérmica modular, con dicho al menos un intercambiador 8.1 de calor de tubo proporcionando un fluido principal de bajo potencial para la bomba 2 de calor geotérmica y dicho al menos un enfriador 20 de aire seco proporcionando un fluido secundario de bajo potencial para la bomba 2 de calor geotérmica.
Cada uno de dicho módulo 7 de suministro de agua caliente, módulo 12 de calentamiento y enfriamiento, módulo 13 de consumo de calor adicional, así como dicho al menos un calentador 19 de agua, cuando estén disponibles en el centro de energía geotérmica modular y en función de la potencia requerida, así como de acuerdo con los requisitos del cliente, pueden instalarse en el contenedor 1 principal, en al menos un contenedor 18 adicional o en el propio edificio. También es posible que cada uno de dicho módulo 7 de suministro de agua caliente, módulo 12 de calentamiento y enfriamiento, módulo 13 de consumo de calor adicional, así como dicho al menos un calentador 19 de agua puedan instalarse en un contenedor 18 adicional separado, tal y como se muestra en detalle en la figura 9. Además, es posible realizar diferentes combinaciones, en las que algunos de dicho módulo 7 de suministro de agua caliente, módulo 12 de calentamiento y enfriamiento, módulo 13 de consumo de calor adicional y dicho al menos un calentador 19 de agua pueden instalarse en al menos un contenedor 18 adicional, y los otros pueden estar en el edificio y/o en el contenedor 1 principal. Todas las combinaciones posibles dependen de los requisitos del cliente y del proyecto específico del centro de energía geotérmica modular. Dicho al menos un enfriador 20 de aire seco puede instalarse al contenedor 1 principal, o al menos a un contenedor 18 adicional o a instalar al edificio, siendo colocado preferiblemente sobre el respectivo contenedor 1, 18 o sobre el objeto al que se instala. Independientemente de si dicho módulo 7 de suministro de agua caliente, dicho módulo 12 de calentamiento y enfriamiento, dicho módulo 13 de consumo de calor adicional y dicha al menos una caldera 19 de agua están en el contenedor 1 principal o distribuidos en combinaciones con al menos un contenedor 18 adicional, entonces cada contenedor 1, 18 principalmente puede tener preferiblemente una estructura de soporte recubierta de polvo de metal con paredes y un techo de paneles de tres capas que tienen aislamiento térmico preferiblemente de espuma de poliuretano con un espesor entre 50 a 100 mm, cubierto por lámina metálica recubierta de polvo. El techo de cada contenedor 1, 18 puede ser de lámina LT con la capacidad de carga correspondiente para utilizarse como encofrado remanente al construirse en un edificio a petición del cliente. El suelo se fabrica preferiblemente en lámina metálica ondulada, que puede ser de acero inoxidable, aluminio u otro a petición del cliente. Cada uno de los contenedores 1, 18 puede abrirse y cerrarse repetidamente desde todos los lados en caso de necesidad de realizar actividades de servicio. Los contenedores 1, 18 pueden estar provistos de elementos de agarre para su traslado con cualquier tipo de equipo de carga y descarga, incluso pueden estar configurados para su traslado mediante helicóptero.
En el centro de energía geotérmica modularse puede utilizar cualquier fluido de transferencia de calor conocido por un experto en la técnica, pero se prefiere una solución acuosa al 25 % de monoetilenglicol, un compuesto orgánico con un punto de congelación de aproximadamente -15 °C. El intercambiador 9 de calor de placas y la unidad 6.2 de conexión de agua caliente de la central geotérmica modular están configurados para aumentar la seguridad del sistema al utilizar una solución acuosa al 25 % de monoetilenglicol como fluido de transferencia de calor, ya que sirven para separar el circuito con el fluido de transferencia de calor y el circuito con el agua a la instalación de calentamiento y enfriamiento, así como a la instalación de suministro de agua caliente doméstica.
La unidad 5 de gestión de fluidos de transferencia de calor, mostrada en detalle en las figuras 1 y 3a, incluye válvulas de tres vías controladas electrónicamente que sirven para dirigir los flujos de fluidos de transferencia de calor en el centro de energía geotérmica modular provenientes de la unidad 3 de conexión de parte evaporadora, la unidad 4 de conexión de parte condensadora, la unidad 6.1 de distribución de agua caliente y la unidad 8 de circulación geotérmica. Adicionalmente, en función de las necesidades, se suministra fluido de calentamiento desde la unidad 4 de conexión de parte condensadora a la unidad 5 de gestión de fluidos de transferencia de calor y/o a la unidad 6.2 de conexión de agua caliente, la cual es controlada por las válvulas de tres vías de la unidad 6.1 de distribución de agua caliente. Esto permite una amplia gama de modos de funcionamiento de la central geotérmica modular, que se pueden alcanzar rápidamente (alta flexibilidad de los sistemas), gracias al principio modular de equipamiento de la central energética específica, brindando la posibilidad de diferentes modos de funcionamiento tal como:
• modo de calentamiento, en el que el fluido de calentamiento se proporciona desde la unidad 5 de gestión de fluidos de transferencia de calor para ser suministrado al intercambiador 9 de calor de placas, en donde el intercambiador 9 de calor de placas directamente o a través del módulo 12 de calentamiento y enfriamiento está conectado por tuberías a los medios de calentamiento y enfriamiento de dicha instalación de calentamiento y enfriamiento, cuyos medios de calentamiento y enfriamiento pueden incluir, por ejemplo, radiadores, calentamiento por suelo radiante, convectores, aires acondicionados y otros dispositivos y equipos de calentamiento similares, bien conocidos del estado de la técnica para un especialista en el campo.
• modo de suministro de agua caliente doméstica, en el que el fluido de calentamiento procedente de la unidad 6.2 de conexión de agua caliente se suministra a la unidad 6.3 de suministro de agua caliente doméstica, unidad 6.3 de suministro de agua caliente doméstica que incluye el número de calderas necesario, de acuerdo con las necesidades del edificio.
• modo de consumidores de calor adicionales, en el que, alternativamente, el fluido de calentamiento de la unidad 6.2 de conexión de agua caliente se puede suministrar al módulo 13 de consumo de calor adicional, y la señal de control de conmutación de la unidad 6.2 de conexión de agua caliente es la temperatura en dichas calderas en la unidad 6.3 de suministro de agua caliente doméstica, que se ajusta de acuerdo con los requisitos específicos del sitio, y se prioriza el suministro de calor a las calderas, y se selecciona el tiempo máximo de funcionamiento para las mismas para el sitio específico.
• modo de enfriamiento pasivo o activo, en el que se da una señal a las válvulas de tres vías de la unidad 5 de gestión de fluidos de transferencia de calor y el fluido de enfriamiento desde la unidad 5 de gestión de fluidos de transferencia de calor se suministra al intercambiador 9 de calor de placas, cuyo intercambiador 9 de calor de placas directamente o a través del módulo 12 de calentamiento y enfriamiento suministra el fluido de enfriamiento a una instalación de aire acondicionado, parte de la instalación de calentamiento y enfriamiento. En el modo de enfriamiento pasivo, se utiliza un fluido de bajo potencial del yacimiento con pozos geotérmicos sin encender la parte compresora (ciclo de refrigeración) de la bomba 2 de calor geotérmica. Cuando no hay suficiente potencia para alcanzar los parámetros establecidos en el modo de enfriamiento pasivo, el centro de energía geotérmica modular pasa al modo de enfriamiento activo, y para ello la unidad 5 de gestión de fluidos de transferencia de calor conmuta el fluido de transferencia de calor - la parte condensadora está conectada al campo con pozos geotérmicos y la parte evaporadora dirige el fluido de transferencia de calor al intercambiador 9 de calor de placas. Cuando la bomba 2 de calor geotérmica funciona en modo de enfriamiento activo, es posible que toda la energía térmica no se dirija a los pozos geotérmicos, sino que sea utilizada por el módulo 7 de suministro de agua caliente y/o por el módulo 13 de consumo de calor adicional.
Todos los procesos y modos de operación, así como su optimización y monitorización, se implementan a través del panel 21 de control y suministro de potencia, que controla los procesos de acuerdo con métodos predeterminados de operación y control del centro de energía geotérmica, implementados a través del funcionamiento óptimo y sincrónico de los módulos individuales del centro de energía geotérmica modular. Dichos modos de calentamiento, suministro de agua caliente doméstica, inclusión de consumidor(es) de calor adicional(es) y enfriamiento pasiva o activa son controlados por el panel 21 de control y suministro de potencia, que dispone de una sección 21.1 de control y una sección 21.2 de adquisición. La selección de los modos de funcionamiento depende de las temperaturas predeterminadas establecidas en la sección 21.1 de control, así como de las temperaturas correspondientes en tiempo real obtenidas en la sección 21.2 de adquisición. En la sección 21.1 de control se ajustan previamente parámetros ajustables tal como el tiempo de espera en minutos y/o horas, así como el tiempo para promediar la temperatura exterior (tiempo de filtrado), lo que evita cambios frecuentes de modos de funcionamiento y que es una práctica conocida por los especialistas en este campo.
Al menos una fuente 22 de temperatura de aire exterior, al menos un sensor 23 de temperatura de aire interior, al menos un sensor 24 de temperatura de fluido de calentamiento o enfriamiento, al menos un sensor 25 de temperatura de fluido de bajo potencial principal y al menos un sensor 26 de temperatura de fluido de bajo potencial secundario están conectados al panel 21 de suministro de potencia y control como se muestra en detalle en la Figura 10 para el funcionamiento óptimo de los módulos del centro de energía del módulo geotérmico. La sección 21.2 de adquisición está configurada para obtener datos de temperatura en tiempo real respectivamente de dicha fuente 22 de temperatura de aire exterior, dicho sensor 23 de temperatura de aire interior, dicho sensor 24 de temperatura de fluido de calentamiento o enfriamiento, dicho sensor 25 de temperatura de fluido de bajo potencial principal y dicho sensor 26 de temperatura de fluido de bajo potencial secundario. Además, todos los modelos de dichos modos de calentamiento, suministro de agua caliente doméstica, inclusión de consumidor(es) de calor adicional(es) y enfriamiento pasivo o activo están configurados como métodos de control en la sección 21.1 de control, en donde el principal es el método de conmutación de dicha instalación de calentamiento y enfriamiento en los modos de calentamiento o enfriamiento seleccionando el fluido de calentamiento o enfriamiento en consecuencia desde la unidad 5 de gestión de fluidos de transferencia de calor que dirige el fluido de calentamiento o enfriamiento correspondiente al intercambiador 9 de calor de placas, pero otro método principal es el funcionamiento de la bomba 2 de calor geotérmica, cuando no es necesario el suministro de fluido de calentamiento o enfriamiento desde esta. En una realización preferida, en la que los métodos de control se realizan mediante el panel 21 de suministro de potencia y control, de acuerdo con la presente invención, se establecen temperaturas del aire exterior predeterminadas para el modo de calentamiento y el modo de enfriamiento de la instalación de calentamiento y enfriamiento en la sección 21.1 de control, y dicha temperatura del aire exterior se obtiene en la sección 21.2 de adquisición a partir de dicha al menos una fuente 22 de temperatura de aire exterior. La sección 21.1 de control verifica primero si la temperatura del aire exterior es inferior o superior a la temperatura del aire exterior predeterminada para el modo de calentamiento. Cuando la temperatura del aire exterior es inferior a una temperatura del aire exterior predeterminada para el modo de calentamiento, la sección 21.1 de control conmuta la instalación de calentamiento y enfriamiento al modo de calentamiento, pero si la temperatura del aire exterior es superior a la temperatura del aire exterior predeterminada para el modo de calentamiento, la sección 21.1 de control guarda el modo de funcionamiento actual de la instalación de calentamiento y enfriamiento. Posteriormente, la sección 21.1 de control verifica si la temperatura del aire exterior es menor o mayor que la temperatura del aire exterior predeterminada para el modo de enfriamiento. Cuando la temperatura del aire exterior es superior a una temperatura del aire exterior predeterminada para el modo de enfriamiento, la sección 21.1 de control conmuta la instalación de calentamiento y enfriamiento al modo de enfriamiento, pero si la temperatura del aire exterior es inferior a una temperatura del aire exterior predeterminada para el modo de enfriamiento, la bomba 2 de calor geotérmica no se enciende o la sección 21.1 de control la apaga.
En otra realización preferida, en la que los métodos de control se realizan mediante la panel 21 de suministro de potencia y control, de acuerdo con la presente invención, la sección 21.1 de control puede conmutar la instalación de calentamiento y enfriamiento en modo calentamiento o enfriamiento, respectivamente puede encender/apagar la bomba 2 de calor geotérmica, basándose en la temperatura del aire interior en tiempo real obtenida en la sección 21.2 de adquisición de dicho al menos un sensor 23 de temperatura de aire interior y en función de una temperatura del aire interior predeterminada establecida en la sección 21.1 de control.
En otra realización preferida, en la que los métodos de control se realizan mediante el panel 21 de suministro de potencia y control, de acuerdo con la presente invención, la sección (21.1) de control está configurada además para conmutar la instalación de calentamiento y enfriamiento al modo de calentamiento o enfriamiento y para encender/apagar la bomba 2 de calor geotérmica dependiendo de un valor predeterminado de una función lógica. Dicho valor predeterminado de la función lógica se basa en diferencias entre la temperatura en tiempo real del fluido de calentamiento o enfriamiento y una temperatura predeterminada del fluido de calentamiento o enfriamiento, diferencias que se acumulan en la sección 21.1 de control durante un intervalo de tiempo predeterminado. Dicho valor predeterminado de una función lógica, la temperatura predeterminada del fluido de calentamiento o enfriamiento y un intervalo de tiempo predeterminado se establecen en la sección 21.1 de control, también dicha temperatura en tiempo real del fluido de calentamiento o enfriamiento se obtiene en la sección 21.2 de adquisición a partir de dicho al menos un sensor 24 de temperatura de fluido de calentamiento o enfriamiento.
Dicho valor de función lógica predeterminada se calcula antes de ser fijado en la sección 21.1 de control considerando características esenciales del edificio tales como la zona climática en la que se ubica el edificio, orientación geográfica del edificio, tipo de estructura del edificio, pérdidas de calor por transmisiones, pérdidas de calor por infiltración, protección solar, tipo de instalación(es) de calentamiento y enfriamiento y similares. Además, el cálculo de dicho valor de función lógica predeterminada también tiene en cuenta características esenciales de la instalación de calentamiento y enfriamiento, tales como el tipo de instalación, tipo y número de fuentes de calentamiento o enfriamiento, tiempo de temple del hormigón, calentamiento/enfriamiento del techo, convectores de ventilador, control de confort centralizado y descentralizado, número de circuitos climáticos y similares. Un factor principal adicional en el cálculo de dicho valor de función lógica predeterminada es la predicción del cambio en la temperatura exterior obtenida de dicha al menos una fuente 22 de temperatura de aire exterior.
En todas las realizaciones preferidas donde los métodos de control son realizados por la panel 21 de suministro de potencia y control, de acuerdo con la presente invención, la sección 21.1 de control está configurada además en dicho modo de calentamiento de la instalación de calentamiento y enfriamiento para seleccionar el fluido fuente de bajo potencial para la bomba 2 de calor geotérmica conmutando la fuente de suministro del fluido de bajo potencial entre dicho al menos un intercambiador 8.1 de calor tubular y dicho al menos un enfriador 20 de aire seco seleccionando el fluido fuente con mayor temperatura obtenido en la sección 21.2 de adquisición de dicho al menos un sensor 25 de temperatura de fluido de bajo potencial principal y de dicho al menos un sensor 26 de temperatura de fluido de bajo potencial secundario. Alternativamente, la sección 21.1 de control está configurada además en dicho modo de calentamiento de la instalación de calentamiento y enfriamiento para encender dicha al menos una caldera 19 de agua como una fuente secundaria de fluido de calentamiento para la instalación de calentamiento y enfriamiento a una temperatura del aire exterior inferior a una temperatura del aire exterior predeterminada para el funcionamiento de la caldera 19 de agua y en un intervalo predeterminado de valores de dicha función lógica, cuyo intervalo predeterminado de valores se establece en la sección 21.1 de control. La temperatura del aire exterior predeterminada para el funcionamiento de la caldera 19 de agua se establece en la sección 21.1 de control y dicha temperatura del aire exterior se obtiene de dicha al menos una fuente 22 de temperatura de aire exterior en la sección 21.2 de adquisición. Al igual que dicho valor de función lógica predeterminado, dicho rango predeterminado de valores de función lógica se calcula antes del ajuste en la sección 21.1 de control considerando nuevamente dichas características esenciales del edificio y de la instalación de calentamiento y enfriamiento, considerando también dicha predicción del cambio de temperatura exterior obtenida de dicha al menos una fuente 22 de temperatura de aire exterior.
En todas las realizaciones preferidas en las que los métodos de control están controlados por la panel 21 de suministro de potencia y control, de acuerdo con la presente invención, la sección 21.1 de control está configurada además en dicho modo de enfriamiento de la instalación de calentamiento y enfriamiento para conmutar a un modo de enfriamiento pasivo seleccionando dicho al menos un intercambiador 8.1 de calor tubular como fuente de suministro de fluido de enfriamiento para la instalación de calentamiento y enfriamiento a una temperatura de fluido de enfriamiento más baja que una temperatura de fluido de fuente predeterminada para enfriamiento activo establecida en la sección 21.1 de control. Alternativamente, en dicho modo de enfriamiento de la instalación de calentamiento y enfriamiento, conmutar a un modo de enfriamiento activo seleccionando dicha parte de evaporación de la bomba 2 de calor geotérmica como fuente de suministro de fluido de enfriamiento para la instalación de calentamiento y enfriamiento a una temperatura de fluido de enfriamiento más alta que la temperatura de fluido de fuente predeterminada para enfriamiento activo establecida en la sección 21.1 de control, en donde dicha temperatura de fluido de suministro se obtiene en la sección 21.2 de adquisición a partir de dicho al menos un sensor 25 de temperatura de fluido de bajo potencial principal. Alternativamente, la sección 21.1 de control está configurada además en dicho modo de enfriamiento activo para seleccionar la fuente de fluido de bajo potencial para la bomba 2 de calor geotérmica conmutando la fuente de fluido de suministro desde dicho al menos un intercambiador 8.1 de calor de tubo o dicho al menos un enfriador 20 de aire seco, seleccionando el fluido fuente con una temperatura más baja obtenida en la sección 21.2 de adquisición desde dicho al menos un sensor 25 de temperatura de fluido de bajo potencial principal y desde dicho al menos un sensor 26 de temperatura de fluido de bajo potencial secundario.
Dicha al menos una fuente 22 de temperatura de aire exterior puede ser al menos un sensor de temperatura exterior configurado para medir la temperatura del aire exterior del edificio o puede ser al menos una fuente de temperatura exterior tal como una base de datos de temperaturas exteriores en tiempo real, una base de datos de pronósticos meteorológicos o una base de datos de temperaturas exteriores promedio para la temporada en un área predeterminada, o una combinación de al menos un sensor de temperatura exterior con al menos una fuente de temperatura exterior. Dicho al menos un sensor 23 de temperatura de aire interior puede ser al menos un sensor de temperatura colocado en el interior de un edificio configurado para medir la temperatura del aire en al menos una habitación del edificio, que preferiblemente puede ser una habitación piloto o puede estar configurada para calcular la temperatura del aire en el edificio basándose en el promedio integral de las temperaturas medidas en varias habitaciones. Dicho al menos un sensor 24 de temperatura de fluido de calentamiento o enfriamiento está configurado para medir la temperatura del fluido de calentamiento o enfriamiento que se pretende suministrar desde la unidad 5 de gestión de fluidos de transferencia de calor al intercambiador 9 de calor de placas para la instalación de calentamiento y enfriamiento. Dicho al menos un sensor 25 de temperatura de fluido de bajo potencial principal está configurado para medir la temperatura del fluido de bajo potencial fuente de dicho al menos un intercambiador 8.1 de calor tubular, y dicho al menos un sensor 26 de temperatura de fluido de bajo potencial secundario está configurado para medir la temperatura del fluido de dicho al menos un enfriador 20 de aire seco.
El centro de energía geotérmica modular se puede utilizar en edificios nuevos y existentes, siendo una fuente especialmente adecuada de calor y enfriamiento en edificios residenciales con un sistema central de calentamiento y enfriamiento, en edificios existentes para mejorar su eficiencia energética y sistemas de confort, en complejos residenciales y hoteleros, en edificios públicos tales como escuelas, hospitales, edificios de oficinas y similares, así como en lugares de producción, especialmente en la industria alimentaria y de procesamiento, en centros de datos y otros edificios que tengan un propósito especial. La solución técnica, de acuerdo con la presente invención, es una fuente irreemplazable de calor y enfriamiento, incluso para los condensadores de sistemas de refrigeración en instalaciones subterráneas (tales como estaciones de metro, instalaciones militares), ya que no se requiere ningún otro contacto con el medio ambiente excepto con el campo terrestre. El centro de energía geotérmica modular se puede instalar en el campo o de forma independiente en un terreno nivelado, así como también integrarse en un edificio tal como una sala técnica estándar, además se puede ubicar en un techo o como una sala técnica subterránea estándar con acceso.

Claims (14)

REIVINDICACIONES
1. Centro de energía geotérmica modular, que incluye un contenedor (1) principal que comprende al menos una bomba (2) de calor geotérmica instalada en su interior que tiene una parte de evaporación y condensación, en donde la parte de evaporación de la bomba (2) de calor geotérmica está conectada mediante tuberías con un fluido de transferencia de calor intermedio a una unidad (8) de circulación geotérmica, cuya unidad (8) de circulación geotérmica está instalada en el contenedor (1) principal e incluye al menos una bomba de circulación controlada electrónicamente, cuya bomba de circulación se puede conectar mediante tuberías con un fluido fuente de bajo potencial a al menos un intercambiador (8.1) de calor tubular ubicado en al menos un pozo geotérmico, siendo dicho intercambiador (8.1) de calor tubular la fuente principal de fluido de bajo potencial para la bomba (2) de calor geotérmica, en donde la parte de condensación de la bomba (2) de calor geotérmica se puede conectar mediante tuberías a una instalación de calentamiento y enfriamiento, así como a una instalación de agua caliente doméstica, caracterizado porque la parte evaporadora de la bomba (2) de calor geotérmica, a través de una unidad (3) de conexión de parte evaporadora, está conectada mediante tuberías con fluido de enfriamiento a una unidad (5) de gestión de fluidos de transferencia de calor, cuya unidad (5) de gestión de fluidos de transferencia de calor, a través de una unidad (4) de conexión de parte condensadora, está conectada mediante tuberías con fluido de calentamiento a la parte condensadora de la bomba (2) de calor geotérmica, de manera que dicha unidad (3) de conexión de parte evaporadora, unidad (4) de conexión de parte condensadora y unidad (5) de gestión de fluidos de transferencia de calor están instaladas en el contenedor (1) principal, en donde la unidad (4) de conexión de parte condensadora está conectada adicionalmente mediante tuberías con fluido de calentamiento a una unidad (6.1) de distribución de agua caliente, dicha unidad (6.1) de distribución de agua caliente está instalada en el contenedor (1) principal y está configurada para dirigir el fluido de calentamiento mediante válvulas de tres vías a dicha instalación de agua caliente doméstica o a la unidad (5) de gestión de fluidos de transferencia de calor, cuya unidad (5) de gestión de fluidos de transferencia de calor está conectada mediante tuberías con un fluido de transferencia de calor intermedio a la unidad (8) de circulación geotérmica y cuya unidad (5) de gestión de fluidos de transferencia de calor está conectada mediante tuberías con un fluido de calentamiento o enfriamiento a un intercambiador (9) de calor de placas, cuyo intercambiador (9) de calor de placas está instalado en el contenedor (1) principal y está configurado para conectarse a dicha instalación de calentamiento y enfriamiento, en donde después de dicho pozo geotérmico y después de la unidad (5) de gestión de fluidos de transferencia de calor, respectivamente antes de la unidad (8) de circulación geotérmica y antes del intercambiador (9) de calor de placas, están conectadas mediante unidades (10) de seguridad de tuberías, cuyas unidades (10) de seguridad están instaladas en el contenedor (1) principal y cada unidad (10) de seguridad incluye uno o más vasos de expansión cerrados con válvulas de seguridad, y en el contenedor (1) principal están instaladas adicionalmente una estación (11) de recarga de fluidos de transferencia de calor, conectada a la unidad (8) de circulación geotérmica, así como una panel (21) de suministro de potencia y control.
2. Centro de energía geotérmica modular, de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque la unidad (6.1) de distribución de agua caliente está conectada mediante tuberías a un módulo (7) de suministro de agua caliente, cuya módulo (7) de suministro de agua caliente incluye una unidad (6.2) de conexión de agua caliente y una unidad (6.3) de suministro de agua caliente doméstica, en donde la unidad (6.2) de conexión de agua caliente incluye al menos un intercambiador de calor, al menos un vaso de expansión y al menos una bomba de circulación, que están conectados mediante tuberías a la unidad (6.3) de suministro de agua caliente doméstica, cuya unidad (6.3) de suministro de agua caliente doméstica incluye una o más calderas de agua configuradas para conectarse mediante tuberías a dicha instalación de suministro de agua caliente doméstica.
3. Centro de energía geotérmica modular, de acuerdo con la reivindicación 1 o 2, caracterizado porque dicho intercambiador (9) de calor de placas está conectado mediante tuberías a un módulo (12) de calentamiento y enfriamiento, cuyo módulo (12) de calentamiento y enfriamiento incluye una unidad (14) de conexión de calentamiento y enfriamiento y una unidad (15) de almacenamiento de energía, en donde la unidad (15) de almacenamiento de energía incluye uno o más depósitos de inercia conectados mediante tuberías a la unidad (14) de conexión de calentamiento y enfriamiento, cuya unidad (14) de conexión de calentamiento y enfriamiento incluye al menos una bomba de circulación controlada electrónicamente y colectores configurados para conectarse mediante tuberías a dicha instalación de calentamiento y enfriamiento.
4. Centro de energía geotérmica modular, de acuerdo con la reivindicación 2 o 3, caracterizado porque la unidad (6.2) de conexión de agua caliente del módulo (7) de suministro de agua caliente está conectada además por tuberías a un módulo (13) de consumo de calor adicional, cuyo módulo (13) de consumo de calor adicional incluye una unidad (16) de conexión de consumo de calor adicional y una unidad (17) de almacenamiento de energía secundaria, en donde la unidad (17) de almacenamiento de energía secundaria incluye uno o más depósitos de inercia conectados por tuberías a la unidad (16) de conexión de consumo de calor adicional, que incluye al menos una bomba de circulación controlada electrónicamente y colectores configurados para conectarse por tuberías a al menos un consumidor de calor adicional.
5. Centro de energía geotérmica modular, de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 -4, caracterizado porque al menos un calentador (19) de agua, configurado para funcionar con combustible de hidrógeno, está conectado mediante tuberías a continuación de dicho intercambiador (9) de calor de placas como fuente secundaria de fluido de calentamiento para la instalación de calentamiento y enfriamiento, y al menos un enfriador (20) de aire seco está conectado a la unidad (8) de circulación geotérmica como fuente secundaria de fluido de bajo potencial para la bomba (2) de calor geotérmica.
6. Centro de energía geotérmica modular, de acuerdo con la reivindicación 5, caracterizado porque el módulo (7) de suministro de agua caliente y/o el módulo (12) de calentamiento y enfriamiento y/o el módulo (13) de calentamiento adicional y/o dicho al menos un calentador (19) de agua y/o dicho al menos un enfriador (20) de aire seco está instalado en el contenedor (1) principal o respectivamente en al menos un contenedor (18) adicional.
7. Centro de energía geotérmica modular, de acuerdo con la reivindicación 5 o 6, caracterizado porque al menos una fuente (22) de temperatura de aire exterior, al menos un sensor (23) de temperatura de aire interior, al menos un sensor (24) de temperatura de fluido de calentamiento o enfriamiento, al menos un sensor (25) de temperatura de fluido de bajo potencial primario y al menos un sensor (26) de temperatura del fluido de bajo potencial secundario están conectados al panel (21) de suministro de potencia y control, y el panel (21) de suministro de potencia y control tiene una sección (21.1) de control y una sección (21.2) de adquisición, cuya sección (21.2) de adquisición está configurada para obtener datos de temperatura en tiempo real, respectivamente, de la fuente (22) de temperatura de aire exterior, del sensor (23) de temperatura de aire interior, del sensor (24) de temperatura de fluido de calentamiento o enfriamiento, del sensor (25) de temperatura de fluido de bajo potencial principal y del sensor (26) de temperatura del fluido de bajo potencial secundario, y la sección (21.1) de control está configurada para conmutar dicha instalación de calentamiento y enfriamiento al modo de calentamiento o enfriamiento conmutando respectivamente el fluido de calentamiento o enfriamiento de la unidad (5) de gestión de fluidos de transferencia de calor al intercambiador (9) de calor de placas, y la sección (21.1) de control está configurada además para encender/apagar la bomba (2) de calor geotérmica.
8. Centro de energía geotérmica modular, de acuerdo con la reivindicación 7, caracterizado porque la sección (21.1) de control está configurada además para conmutar la instalación de calentamiento y enfriamiento al modo de calentamiento a una temperatura del aire exterior inferior a una temperatura del aire exterior predeterminada para el modo de calentamiento. y la sección (21.1) de control está configurada además para permanecer en el modo de calentamiento o enfriamiento actual de la instalación de calentamiento y enfriamiento a una temperatura del aire exterior superior a la temperatura del aire exterior predeterminada para el modo de calentamiento, en donde la sección (21.1) de control está configurada además para conmutar la instalación de calentamiento y enfriamiento al modo de enfriamiento a una temperatura del aire exterior superior a la temperatura del aire exterior predeterminada para el modo de enfriamiento, y la sección (21.1) de control está configurada además para apagar la bomba (2) de calor geotérmica a una temperatura del aire exterior inferior a la temperatura del aire exterior predeterminada para el modo de enfriamiento, en donde dichas temperaturas del aire exterior predeterminadas para los modos de calentamiento y enfriamiento se establecen en la sección (21.1) de control, y dicha temperatura del aire exterior se obtiene en la sección de adquisición (21.2) de dicha al menos una fuente (22) de temperatura de aire exterior .
9. Centro de energía geotérmica modular, de acuerdo con la reivindicación 7, caracterizado porque la sección (21.1) de control está configurada además para conmutar la instalación de calentamiento y enfriamiento al modo de calentamiento o enfriamiento y para encender/apagar la bomba (2) de calor geotérmica en función de la temperatura del aire interior en tiempo real obtenida en la sección (21.2) de adquisición a partir de dicho al menos un sensor (23) de temperatura de aire interior y en función de una temperatura del aire interior predeterminada establecida en la sección (21.1) de control.
10. Centro de energía geotérmica modular, de acuerdo con la reivindicación 8 o 9, caracterizado porque la sección (21.1) de control está configurada además para conmutar la instalación de calentamiento y enfriamiento a modo de calentamiento o enfriamiento y para encender/apagar la bomba (2) de calor geotérmica en función de un valor predeterminado de una función lógica, cuyo valor predeterminado de la función lógica se basa en las diferencias entre la temperatura en tiempo real del fluido de calentamiento o enfriamiento y una temperatura predeterminada del fluido de calentamiento o enfriamiento, cuyas diferencias se acumulan en la sección (21.1) de control durante un intervalo de tiempo predeterminado, en el que dicho valor predeterminado de la función lógica, la temperatura predeterminada del fluido de calentamiento o enfriamiento y el intervalo de tiempo predeterminado se establecen en la sección (21.1) de control, y dicha temperatura en tiempo real del fluido de calentamiento o enfriamiento se obtiene en la sección (21.2) de adquisición a partir de dicho al menos un sensor (24) de temperatura de fluido de calentamiento o enfriamiento.
11. Centro de energía geotérmica modular, de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 7 - 10 , caracterizado porque la sección (21.1) de control está configurada además en dicho modo de calentamiento de la instalación de calentamiento y enfriamiento para seleccionar el fluido fuente de bajo potencial para la bomba (2) de calor geotérmica conmutando la fuente de suministro del fluido de bajo potencial entre dicho al menos un intercambiador (8.1) de calor tubular y dicho al menos un enfriador (20) de aire seco seleccionando el fluido fuente con mayor temperatura obtenido en la sección (21.2) de adquisición a partir de dicho al menos un sensor (25) de temperatura de fluido de bajo potencial principal y de dicho al menos un sensor (26) de temperatura de fluido de bajo potencial secundario.
12. Centro de energía geotérmica modular, de acuerdo con la reivindicación 11, caracterizado porque la sección (21.1) de control está configurada además, en dicho modo de calentamiento de la instalación de calentamiento y enfriamiento, para encender dicha al menos una caldera (19) de agua como fuente secundaria de fluido de calentamiento para la instalación de calentamiento y enfriamiento a una temperatura del aire exterior inferior a una temperatura del aire exterior predeterminada para el funcionamiento de la caldera (19) de agua y en un intervalo predeterminado de valores de dicha función lógica, cuyo intervalo predeterminado de valores se establece en la sección (21.1) de control, en donde dicha temperatura del aire exterior predeterminada para el funcionamiento de la caldera (19) de agua se establece en la sección (21.1) de control, y dicha temperatura del aire exterior se obtiene de dicha al menos una fuente (22) de temperatura de aire exterior en la sección (21.2) de adquisición.
13. Centro de energía geotérmica modular, de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 7 - 10 , caracterizado porque la sección (21.1) de control está configurada además, en el modo de enfriamiento de la instalación de calentamiento y enfriamiento, para conmutar a un modo de enfriamiento pasivo seleccionando dicho al menos un intercambiador (8.1) de calor tubular como fuente de suministro de fluido de enfriamiento para la instalación de calentamiento y enfriamiento a una temperatura del fluido de enfriamiento inferior a la temperatura del fluido fuente de enfriamiento activa predeterminada en la sección (21.1) de control, cuya sección (21.1) de control está configurada además en dicho modo de enfriamiento de la instalación de calentamiento y enfriamiento, para conmutar a un modo de enfriamiento activo seleccionando la parte evaporadora de la bomba (2) de calor geotérmica como fuente de suministro de fluido de enfriamiento para la instalación de calentamiento y enfriamiento a una temperatura de fluido de enfriamiento superior a la temperatura de fluido fuente predeterminada para el enfriamiento activo establecido en la sección (21.1) de control, en donde dicha temperatura del fluido de suministro se obtiene en la sección (21.2) de adquisición a partir de dicho al menos un sensor (25) de temperatura de fluido de bajo potencial principal.
14. Centro de energía geotérmica modular, de acuerdo con la reivindicación 13, caracterizado porque la sección (21.1) de control está configurada además en dicho modo de enfriamiento activo para seleccionar la fuente de fluido de bajo potencial para la bomba (2) de calor geotérmica conmutando la fuente de fluido de suministro desde dicho al menos un intercambiador (8.1) de calor de tubo o dicho al menos un enfriador (20) de aire seco, seleccionando el fluido fuente con una temperatura más baja obtenida en la sección (21.2) de adquisición desde dicho al menos un sensor (25) de temperatura de fluido de bajo potencial principal y desde dicho al menos un sensor (26) de temperatura de fluido de bajo potencial secundario.
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