MX2008008486A - Sistema de modulacion de caldera. - Google Patents

Abstract

Un sistema de modulación de caldera para calentar una estructura que incluye un controlador, una caldera operativamente conectada al controlador y un termostato operativamente conectado al controlador y la caldera. El controlador evaluando un nivel de la actividad del termostato durante un periodo de medición predeterminado y ajusta la caldera en respuesta al nivel de actividad para incrementar la eficiencia de la caldera.

Description

SISTEMA DE MODULACIÓN DE CALDERA CAMPO DE LA INVENCIÓN La presente invención se refiere generalmente a un sistema de modulación de caldera y más particularmente a un sistema de modulación de caldera en el cual la energía que ingresa a una caldera se reduce a través del uso de promedios de movimiento de la cantidad de tiempo en que el termostato de la caldera está encendido.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN Los sistemas de caldera conocidos típicamente emplean un sensor externo para evaluar la diferencia entre la temperatura del aire ambiental externo y la temperatura del aire dentro de una estructura a calentarse. El sensor externo responde a la temperatura del aire externo para ajustarse al punto de ajuste de la temperatura de la caldera. El punto de ajuste de la temperatura se disminuye en clima más caliente y en el clima más frío el punto de ajuste se incrementa. Esta técnica es referida como "re-ajuste externo".

Existen sin embargo, limitaciones para usar los sistemas de re-ajuste externo. Por ejemplo, el sensor externo requiere una perforación a través de la pared. El sensor externo además puede colocarse de manera que refleje la temperatura promedio del aire externo alrededor de la estructura a calentarse. Significativamente, el sensor no debe estar influenciado por la radiación del sol, la nieve, el hielo u otras fuentes de calor. Los sensores también deben calibrarse periódicamente para asegurar su funcionamiento apropiado. Adicionalmente, la "proporción de reajuste" es decir, el cambio en el punto de ajuste de la caldera para un cambio en la temperatura externa debe programarse en el control de la caldera. Dado que no existe "retroalimentación", la proporción de re-ajuste se establece típicamente muy conservadoramente para asegurar que hay suficiente calor disponible para mantener el confort del hogar y la efectividad del control externo para reducir el consumo de energía está severamente limitada.

Por lo tanto, las fuentes para ganancia ó pérdida de calor no se relacionan a la temperatura del aire extemo, por ejemplo las ventanas abiertas y el calor generado por la ocupación humana no se capturan por el sensor. Restringiendo el punto de ajuste de una caldera puede comprometer el confort en los sistemas en donde una temperatura del agua de la caldera mínima es necesaria para asegurar el confort. Finalmente, los sistemas de re-ajuste externos no pueden usarse con las calderas de punto de ajuste fijado.

En vista de lo anterior, los sensores de re-ajuste externos comúnmente obtienen mediciones erróneas de la temperatura del aire externo. Si la medición del aire externo es errónea, el punto de ajuste establecido para la caldera puede resultar en calor insuficiente para satisfacer el (los) termostato (s).

Con los problemas precedentes y las preocupaciones en mente, es el objeto general de la presente invención proporcionar un sistema de modulación de caldera en el cual la entrada de energía a una caldera se reduce y por lo tanto la eficiencia se incrementa, sin las limitaciones de un sistema de re-ajuste externo o el uso de un sensor de aire externo.

SUMARIO DE LA INVENCIÓN Es un objeto de la presente invención proporcionar un sistema de modulación de caldera con una eficiencia incrementada.

Es un objeto adicional de la presente invención proporcionar un sistema de modulación de caldera que es capaz de reducir la entrada de energía a una caldera para incrementar la eficiencia de la caldera.

Es un objeto adicional de la presente invención proporcionar un sistema de modulación de caldera que reduce la entrada de energía a una caldera para incrementar la eficiencia de la caldera' sin las desventajas de los sistemas conocidos.

Es aún otro objeto de la presente invención proporcionar un sistema de modulación de caldera que reduce la entrada de energía de una caldera para incrementar la eficiencia de la caldera sin la necesidad de un sensor de temperatura del aire ambiental.

Es un objeto adicional de la presente invención proporcionar un sistema de modulación de caldera que reduce la entrada de energía de una caldera para incrementar la eficiencia de la caldera por el uso de "retroalimentación" para aprovechar la capacidad de regulación completa de una modulación de caldera.

Es un objeto adicional de la presente invención proporcionar un sistema de modulación de caldera que reduce la entrada de energía de una caldera para incrementar la eficiencia de la caldera a través del uso de promedios de movimiento de la cantidad de tiempo que el termostato de la caldera está encendido.

Este y otros objetivos de la presente invención y sus modalidades preferidas, llegarán a ser claros mediante consideración de la especificación, las reivindicaciones y los dibujos como un todo.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS La Figura 1 es una gráfica representando un trazo de las entradas de la caldera logradas en cargas múltiples a través del uso de un algoritmo de promedio de movimiento del sistema de modulación de caldera presente, en donde: A = entrada de la caldera, % B = Carga I = entrada de la caldera (promedio del movimiento).

La Figura 2 es una gráfica representando el uso de un promedio de movimiento exponencial de la presente invención para reducir la entrada a la caldera en un ajuste de termostato múltiple, en donde: C = temperatura D = tiempo II = agua del termostato III = promedio de movimiento exponencial (EMA) IV = entrada de la caldera V = termostato Rm1 VI = termostato Rm2 VII = termostato Rm3.

La Figura 3 es una gráfica que representa un trazo de las temperaturas del agua de la caldera logradas en cargas múltiples a través del uso de un sistema de modulación de caldera de la presente invención comparado con un trazo de temperaturas del agua de la caldera obtenidas a través del uso de un sistema que comprueba la temperatura del aire externo, en donde: VIII = agua de la caldera (promedio de movimiento) IX = agua de la caldera (aire externo).

La Figura 4 es una gráfica que representa un trazo de las entradas en la caldera logradas en cargas múltiples a través del sistema de modulación de caldera de la Figura 3 comparado a un trazo de las entradas de caldera obtenidas a través del uso de un sistema que comprueba la temperatura del aire externo, en donde: VIII = agua de la caldera (promedio de movimiento) IX = agua de la caldera (aire externo).

La Figura 5 es un diagrama esquemático simplificado de un sistema de modulación de caldera de conformidad con una modalidad de la presente invención.

DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN Para mantener un espacio controlado por el termostato en una temperatura específica, la energía suministrada, como medida durante el tiempo, debe igualar exactamente la pérdida de calor del espacio controlado. Si se suministra más energía que la pérdida de calor, el espacio aumentará arriba del ajuste del termostato. Si se suministra menos energía, el ajuste de la temperatura del termostato no se alcanzará. Como se describe en mayor detalle posteriormente, el presente sistema determina directamente la energía y las necesidades de calefacción de un espacio para incrementar la eficiencia de la caldera para superar las limitaciones de los sistemas conocidos.

La presente invención usa un promedio de movimiento para calcular el "tiempo de funcionamiento" de un termostato durante un periodo de medición específico para medir directamente las necesidades de energía de un espacio. Este promedio de movimiento se usa para ajustar la entrada de energía de la caldera para aumentar o disminuir la temperatura del agua de la caldera. Por ejemplo, si el tiempo de funcionamiento de un termostato es menor durante el periodo de medición, es decir, la pérdida de calor de la zona afectada por el termostato es menor, la entrada de la caldera se reduce por lo tanto causando una reducción en la temperatura del agua de la caldera. Además, la salida de calor de los elementos de zócalo hidrónicos es aproximadamente lineal con la temperatura del agua. Además, si la entrada de energía de la caldera se reduce, el equilibrio ocurrirá en menor temperatura de agua.

La temperatura reducida del agua de la caldera resulta en un incremento más lento a temperatura ambiente e incrementa el "tiempo de funcionamiento" para el termostato. Un termostato más grande en tiempo de funcionamiento durante el periodo de medición incrementa el promedio de movimiento hasta que se logra una condición estable. Incrementar la carga de la caldera debido a temperaturas externas más frías causa el incremento en los ciclos del termostato, el tiempo de funcionamiento de la caldera y además el promedio del movimiento. Este avance de "retroalimentación" que asegura suficiente calor siempre está disponible.

Como se apreciará, este control proporcional actúa para incrementar el tiempo del ciclo del termostato y además el tiempo de funcionamiento de la caldera mediante reducir la entrada a la caldera durante periodos de uso de energía reducida, con una reducción consecuente en las pérdidas del sistema, eficiencia de la caldera incrementada y confort mejorado.

Esto se muestra en la Figura 1 , que gráficamente ilustra un trazo de la entrada de energía 10 en varias cargas logradas a través de un algoritmo de promedio de movimiento de la presente invención. La carga está representada en el eje ? y la entrada de energía de la caldera en el eje ?. Como se representa, el promedio de movimiento el sistema presente resulta en entrada de energía a la caldera reducida a una caldera en cargas reducidas de caldera. Por ejemplo, en una carga de caldera de aproximadamente diez por ciento 11 , la entrada de energía a la caldera se reduce por aproximadamente treinta por ciento. Como se apreciará, el algoritmo resulta en entrada incrementada a medida que la carga de la caldera se incrementa.

El promedio de movimiento es un aspecto importante de la presente invención. Mediante basar los cálculos en el tiempo de funcionamiento del termostato, como opuesto a la temperatura, el presente sistema no requiere un sensor colocado para detectar la temperatura del aire ambiental. Además, el presente sistema no tiene las limitaciones inherentes de los sistemas de reajuste externo tal como susceptibilidad a error de las fuentes de calor externo, por ejemplo, el sol, la nieve y hielo. Además, dado que el sistema de la presente invención es totalmente auto-contenido, todas las fuentes de ganancia/pérdida de energía se reflejan en el tiempo del ciclo del termostato. Además, el presente sistema asegura suficiente energía en exceso para asegurar que la zona del termostato puede responder a cambios de carga no anticipados.

En operación, cuando la energía necesita estar baja, la caldera actúa como una unidad más pequeña más eficiente capaz de lograr las temperaturas requeridas sin la restricción impuesta de un control de reajuste externo. Más específicamente, el presente sistema reduce la temperatura del agua de la caldera en los días más cálidos de manera que la caldera es efectivamente "más pequeña" permitiendo que el termostato se satisfaga con temperaturas de agua menores que aquellas requeridas en los días más fríos.

El presente sistema opera mediante el muestreo del estado del termostato, encendido o apagado, en una proporción suficientemente alta para capturar exactamente todos los ciclos del termostato. Un promedio de movimiento exponencial ("EMA") posteriormente se crea para el periodo de medición, que es preferiblemente un intervalo de una hora. Para mejorar la exactitud un segundo EMA es entre 0. y 1. Cuando se exige el inicio de una caldera, la entrada de energía a la caldera se determina por el valor EMA multiplicado por el ajuste BTU máximo para la caldera. Cuando más de un termostato está conectado al control, el EMA más grande se selecciona para determinar la entrada de energía.

Esto se muestra en la Figura 2, que ilustra gráficamente como el presente sistema usa un EMA 3 para reducir la entrada de energía a la caldera en un ajuste de termostato múltiple. El EMA más alto 13 se selecciona entre los termostatos múltiples conectados que aseguran la zona cuando la necesidad de energía más alta se satisface. Como se representa, el EMA 13 reduce la entrada de energía a la caldera a aproximadamente cuarenta y ocho por ciento en un veinte por ciento de la carga externa.

La Figura 3 ilustra gráficamente la eficiencia del sistema de promedio de movimiento de la inventiva comparado a un sistema de reajuste externo conocido. La figura representa la carga de la caldera 12 en el eje ? y la temperatura del agua de la caldera 14 en el eje ?. Una representación de la temperatura del agua de la caldera 16 usando el sistema promedio de movimiento de la inventiva es yuxtapuesta con una representación de la temperatura del agua de la caldera 18 derivada de un sistema de aire externo.

Como se apreciará, con un incremento de la carga en la caldera, el sistema de promedio de movimiento funciona para incrementar la temperatura del agua de la caldera en un diseño similar al sistema de ajuste externo. Con el sistema presente, sin embargo, las temperaturas del agua de la caldera menores se logran resultando en eficiencias mayores que las posibles con el sistema de reajuste externo. Por ejemplo, en una carga de 2, está en aproximadamente 55.56°C con el sistema de promedio de movimiento mientras el agua de la caldera usando el sistema de aire externo está en aproximadamente 61.11 °C.

Asimismo, la Figura 4 ilustra los beneficios del sistema de promedio de movimiento comparado a un sistema de reajuste externo conocido. En la Figura 4, la entrada de energía de la caldera se representa en el eje y y la carga en el eje x. Una representación de la entrada de la energía de la caldera 20 lograda a través del sistema de promedio de movimiento de la inventiva se contrasta con la entrada de la caldera 22 que resulta del uso de un sistema de reajuste externo. Como se muestra, la entrada menor de energía a la caldera es posible con el sistema de promedio de movimiento presente resultando en mayores eficiencias que las posibles con el sistema de reajuste externo. Por ejemplo, en una carga de .1 , la entrada de energía de la caldera usando el sistema de promedio de movimiento es de aproximadamente .3 ó 30%. En contraste, con los sistemas de reajuste externo del arte previo, la entrada de energía de la caldera en esta misma carga es aproximadamente .5 ó 50%.

Por lo tanto es un importante aspecto de la presente invención que el control del sistema de modulación de caldera descrito en este documento no confía directamente en un sensor de aire ambiental externo. Más bien, la presente invención determina directamente la energía y las necesidades de calefacción de un recinto mediante determinar el promedio de movimiento de la caldera del termostato en tiempo de funcionamiento para el recinto. Mediante dirigir la percepción del tiempo de funcionamiento o los ciclos de la caldera, el sistema de control de la presente invención es capaz de alterar la entrada de energía de la caldera en si misma de manera que optimice el tamaño de la caldera (esto es, la salida BTU de la caldera), así como responder al tiempo de funcionamiento de la misma, así incrementando la eficiencia total del sistema. El sistema de control no impone limitaciones en la temperatura del agua además permitiendo las necesidades instantáneas del sistema a satisfacerse.

Además, mediante controlar directamente el tamaño de la caldera y mediante controlar selectivamente su tiempo de operación por unidad de tiempo, la modulación del sistema de caldera de la presente invención causará que la caldera experimento pérdida en los ciclos de encendido/apagado, además reduciendo el desgaste y desgarre en el ensamble de la caldera y reduciendo los asuntos de mantenimiento correspondientes.

Ahora con referencia a la Figura 5, se muestra una modalidad preferida de un sistema de modulación de caldera de la presente invención. El sistema incluye un controlador 24 que está conectado a una caldera 26 y un termostato 28. Como se apreciará, el algoritmo de promedio de movimiento de la presente invención reside en, y se corre mediante el programa contenido en el controlador 24. El controlador 24 recibe los datos de la caldera 26 con respecto a la temperatura del agua de la caldera vía un enlace de datos 30. El controlador 24 también puede incrementar o disminuir la temperatura del agua de la caldera a través de un enlace de control 32 dependiendo del termostato en tiempo de funcionamiento. Como tal, el controlador 24 además de la caldera 26 se conecta a un termostato 28 de manera que pueda recibir los datos con respecto a su tiempo de funcionamiento.

En uso, el controlador 24 vía el algoritmo de la inventiva, crea un promedio de movimiento exponencial del termostato en tiempo de funcionamiento mediante medir el tiempo del termostato 28 en el que está encendido, durante por ejemplo un periodo de una hora. El controlador 24 posteriormente determinará la entrada de la caldera mediante multiplicar el promedio de movimiento exponencial mediante las salidas BTU máximas de la caldera 26. Después de que está determinación se ha hecho, el controlador 24 típicamente alterará la entrada de la caldera ya sea incrementando o disminuyendo la temperatura del agua de la caldera 26.

Aquellos expertos en la técnica apreciarán que la presente invención no se limita a las modalidades descritas pero que varias modificaciones y alteraciones pueden hacerse sin apartarse del alcance de la presente invención.

Claims (20)

REIVINDICACIONES

1. Un sistema de modulación de caldera para calentar una estructura que comprende: un controlador, una caldera en conexión operativa con dicho controlador, un termostato en conexión operativa con dicho controlador y dicha caldera y en donde dicho controlador determina un nivel de actividad de dicho termostato sobre un periodo de tiempo predeterminado y ajusta dicha caldera en respuesta a dicho nivel de actividad.

2. El sistema de modulación de caldera de conformidad con la reivindicación 1 , en donde dicho nivel de actividad es un promedio de movimiento exponencial de una cantidad de tiempo en donde dicho termostato está en funcionamiento durante dicho periodo de tiempo predeterminado.

3. El sistema de modulación de caldera de conformidad con la reivindicación 1 , en donde dicho nivel de actividad es un segundo promedio de movimiento exponencial creado desde un primer promedio de movimiento exponencial de una cantidad de tiempo en donde dicho termostato está en funcionamiento durante dicho periodo de tiempo predeterminado.

4. El sistema de modulación de caldera de conformidad con la reivindicación 2, en donde dicho promedio de movimiento exponencial es entre 0 y 1.

5. El sistema de modulación de caldera de conformidad con la reivindicación 2, en donde dicho controlador ajusta dicha caldera mediante regular la entrada de energía a dicha caldera.

6. El sistema de modulación de caldera de conformidad con la reivindicación 5, en donde dicho controlador regula la entrada de energía a dicha caldera mediante multiplicar dicho promedio de movimiento exponencial por un BTU máximo de dicha caldera y posteriormente ajustando dicha entrada de energía como se requiere.

7. El sistema de modulación de caldera de conformidad con la reivindicación 1 , en donde dicho periodo de tiempo predeterminado es un intervalo de 1 hora.

8. Un sistema para calentar una estructura que comprende: un controlador, una caldera en conexión operativa con dicho controlador; al menos un termostato en conexión operativa con dicho controlador y dicha caldera y en donde dicho controlador crea un promedio de movimiento exponencial de una cantidad del tiempo en que dicho termostato está en funcionamiento durante un periodo de tiempo predeterminado y ajusta dicha caldera en respuesta a dicho promedio de movimiento exponencial.

9. El sistema para calentar una estructura de conformidad con la reivindicación 8, en donde dicho controlador ajusta dicha caldera mediante multiplicar dicho promedio de movimiento exponencial por un BTU máximo de dicha caldera para regular la entrada de energía a dicha caldera.

10. El sistema para calentar una estructura de conformidad con la reivindicación 8, en donde dicho promedio de movimiento exponencial es entre 0 y 1.

11. El sistema para calentar una estructura de conformidad con la reivindicación 8, en donde dicho periodo de tiempo predeterminado es aproximadamente un intervalo de una hora.

12. El sistema para calentar una estructura de conformidad con la reivindicación 8, en donde dicho al menos un termostato es dos o más termostatos.

13. El sistema para calentar una estructura de conformidad con la reivindicación 12, en donde dicho controlador crea un promedio de movimiento exponencial para cada uno de dichos dos o más termostatos y multiplica el más alto de dichos promedios de movimiento exponencial por un BTU máximo de dicha caldera para ajustar la entrada de energía a dicha caldera.

14. Un método para incrementar la eficiencia de la caldera que comprende las etapas de: evaluar un nivel de actividad de al menos un termostato durante un periodo de tiempo predeterminado, dicho al menos un termostato estando en conexión operativa con una caldera y ajustar dicha caldera en respuesta a dicho nivel de actividad de dicho termostato.

15. El método de conformidad con la reivindicación 14, en donde dicho nivel de actividad es un promedio de movimiento exponencial de una cantidad de tiempo donde dicho al menos un termostato está en funcionamiento durante dicho periodo de tiempo predeterminado.

16. El método de conformidad con la reivindicación 15, en donde dicha caldera se ajusta mediante regular la entrada de energía a dicha caldera.

17. El método de conformidad con la reivindicación 16, que comprende la etapa adicional de: determinar una entrada de energía promedio a dicha caldera mediante multiplicar dicho promedio de movimiento exponencial mediante un BTU máximo para dicha caldera.

18. El método de conformidad con la reivindicación 15, en donde dicho al- menos un termostato es dos o más termostatos y un promedio de movimiento exponencial se crea para cada uno de dichos de dos o más termostatos.

19. El método de conformidad con la reivindicación 18, que comprende la etapa adicional de: seleccionar el más alto promedio de movimiento exponencial de dichos promedios de movimiento exponenciales para dichos dos o más termostatos.

20. El método de conformidad con la reivindicación 19, en donde dicha caldera se ajusta respuesta a dicho más alto promedio de movimiento exponencial.