WO2010058056A1 - Procedimientos y aparatos para la medición dinámica de la temperatura de un fluido en un intercambiador de calor acoplado al terreno - Google Patents

Procedimientos y aparatos para la medición dinámica de la temperatura de un fluido en un intercambiador de calor acoplado al terreno Download PDF

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Definitions

  • the present invention relates to methods and apparatus for measuring the temperature in a heat exchanger coupled to the ground and more particularly for the dynamic measurement of the temperature of a fluid circulating through a heat exchanger coupled to the ground.
  • Geothermal energy in addition to the energy of the tides is the only form of renewable energy independent of the sun, having its definitive source inside the earth.
  • thermal energy One of the possibilities for the use of thermal energy are the systems called Geothermal Heat Pump (“geothermal heat pump or GHP”), or Well System Heat Exchangers (“borehole heat” exchangers, BHE "), which rely on heat transfer by conduction from the wells of a borehole.
  • GHP Geothermal Heat Pump
  • BHE Well System Heat Exchangers
  • a thermal transfer fluid usually water
  • TRT Thermal Response Test
  • the typical TRT consists of injecting a certain heat load into the heat exchanger coupled to the ground and measuring the temperature changes in the circulating fluid.
  • the TRT was initially developed in Sweden and the USA in 1995 [8] and is currently used in many countries to size heat exchangers coupled to the ground [9].
  • a delicate aspect of the measurement process is the constant maintenance of heat transfer because errors of 5% can imply errors in thermal conductivity of up to 40% [9].
  • the TRT performs the measurement of the temperature of the fluid only at the entrance and exit of the system, and ignores the variations that the physical properties of the soil, such as the structure or the presence of groundwater, can produce on the thermal conductivity of the soil .
  • the present invention is oriented to the attention of that demand.
  • Another object of the present invention is to provide an installation for the dynamic measurement of the temperature of a circulating fluid in a heat exchanger coupled to the ground
  • a procedure for the dynamic measurement of the temperature of a fluid in a heat exchanger coupled to the ground comprising the following steps: a) Provide a plurality of probes with a temperature sensor and wireless storage and transmission means of a plurality of temperature measurements made with said sensor. b) Provide an installation to circulate a fluid as well as a plurality of said probes through the heat exchanger coupled to the ground, controlling its speed. c) Use said probes to obtain measurements of the temperature of the fluid at predetermined time intervals during its circulation through the heat exchanger coupled to the ground. d) Store the data obtained in stage c) in a medium suitable for later use.
  • an autonomous probe for the measurement of the temperature of a circulating fluid which comprises a temperature sensor of its surroundings and means of storage and wireless transmission of the measurements made during a certain period of time, according to a pre-established program and having a spherical shape and the same density of said fluid.
  • the probe has a diameter of less than 30 mm and in an even more preferred embodiment a diameter of less than 25 mm. Be this achieves a probe whose size allows a small volume of thermal fluid to be displaced and, therefore, does not alter the thermal behavior of the point where the temperature is measured.
  • the probes also comprise a pressure sensor. It is thus possible to improve the precision in the calculation of the position of the probe at the time of the measurement of the temperature.
  • these and other objectives are achieved with an installation for the dynamic measurement of the temperature of a fluid in a heat exchanger coupled to the ground comprising: - A hydraulic equipment to circulate a fluid through the heat exchanger to a predetermined speed which includes an inlet conduit and an outlet conduit thereto, an insertion valve of the probes mentioned in said inlet conduit and an extraction valve of said probes of said outlet conduit; - A computer equipment with control means of said hydraulic equipment and wireless communication means with said probes to provide them with the configuration parameters and to receive the data of the temperature measurements obtained during their circulation by the heat exchanger coupled to the ground as well as storage means of said data.
  • the control means of the hydraulic equipment comprise means for controlling the moment of insertion and removal of said probes. This achieves a very precise control of the dynamics of circulation of the probes.
  • the installation for the dynamic measurement of the temperature comprises passage detectors installed next to the insertion and extraction valves. It is thus possible to improve the precision of the measurement of the transit time of the probe through the exchanger.
  • the hydraulic equipment includes means for heating and cooling the fluid, using devices such as heat pumps, Peltier cells, resistor systems or the like, employees individually or in combination. This achieves that the dynamic measurements of the evolution of the temperature can be made for different temperatures of the fluid at the entrance of the heat exchanger coupled to the ground.
  • Figure 1 is a schematic view of the installation object of the present invention.
  • Figures 2 and 3 show two typical configurations of heat exchangers coupled to the ground.
  • Figure 4 shows an image of the electronic circuit of the autonomous probe in a preferred embodiment of the present invention.
  • the system for the dynamic measurement of the temperature of the thermal fluid in a heat exchanger coupled to the ground comprises three basic sub-systems:
  • a sub-system for measuring the temperature of the thermal fluid composed of a set of autonomous probes that are circulated through said exchanger and are capable of transferring the measurements made by radio signals.
  • Figure 1 schematically shows the hydraulic sub-system as a hydraulic equipment, which is part of the installation 21, with a passage duct 23 and a return duct 25 connected on one side to a container tank (not shown) of a fluid , preferably water, and on the other hand to a heat exchanger coupled to the ground (not shown), a circulation pump 27 associated with a flowmeter 29 and two valves 35, 37 for, respectively, the insertion of probes 15 into the conduit of ida 23 and the recovery of probes 15 in the return duct 25.
  • a circulation pump 27 associated with a flowmeter 29 and two valves 35, 37 for, respectively, the insertion of probes 15 into the conduit of ida 23 and the recovery of probes 15 in the return duct 25.
  • the hydraulic sub-system also comprises means for heating and cooling the fluid (not shown).
  • Said means may consist of devices such as heat pumps, Peltier cells, resistance systems or the like, used either individually or in combination.
  • the hydraulic equipment also includes a set of sensors (not shown except flowmeter 29) to monitor various variables of interest such as the flow rate, the temperature of the water at the inlet and outlet of the heat exchanger, the temperature in the tank and the duct pressure.
  • Figure 1 also illustrates a wireless communication between the probes 15 and a computer equipment 41 to which we will refer in detail later.
  • FIGS 2 and 3 show two typical configurations of heat exchangers coupled to the ground in which the system object of the present invention can be used: a U-shaped configuration 1 and a configuration 13 with coaxial conduits. These heat exchangers 11, 13 are arranged in wells 25 drilled in the ground between an appropriate filling material 17. Heat transfer takes place from the fluid thermal to the ground or vice versa through the walls of the ducts 11, 13 and the filling materials 17.
  • the mentioned installation 21 is configured to be coupled to the U-shaped heat exchanger 11, but as the person skilled in the art will understand, the invention also comprises an installation configured to be coupled to a coaxial heat exchanger 13.
  • the measurement sub-system The measurement sub-system
  • the objective of the invention is to obtain useful measurements to determine the spatial and temporal behavior of the heat exchanger coupled to the ground and in particular measurements of the temperature of the thermal fluid circulating through the entire heat exchanger at several time points separated by preset duration intervals.
  • measuring instruments must be able to measure the temperature changes of the fluid circulating through the conduit.
  • the measuring instruments used in a preferred embodiment of the invention are small temperature autonomous probes 15 that can move with the water stream along the heat exchanger and have an acquisition, storage and discharge system of the temperature data, as well as the necessary energy source.
  • these probes comprise a circuit based on a radio frequency transceiver for short-range devices ("Short Range Device, SRD”) in a free band ISM ("Industrial, Scientific, Medical”), a programmable acquisition based system in microcontroller, a memory device for temporary storage of acquired data, a temperature monitoring circuit and a battery to provide power.
  • SRD radio frequency transceiver for short-range devices
  • ISM International Standard, Scientific, Medical
  • the transceiver includes a microcontroller that is responsible for the management of communications, data acquisition and power supply and carries an embedded code for control in four different states: "Disconnected”, “Configuration”, “On acquisition” , "Download”.
  • the probe is in the "Disconnected” state, without consuming energy, while waiting to be used to measure temperatures.
  • An appropriate signal causes the change to the "Configuration” state to receive the corresponding indications for the temperature measurement.
  • the protocol is very simple to achieve good energy efficiency and save energy.
  • the length of the messages is short and the acknowledgments are minimized since the distance between the transceivers is small and the error rate reduced.
  • the change to the status "In acquisition” occurs. Since the transceiver does not work in this state, it is possible to use the frequency of a secondary clock instead of the main clock to save energy. Throughout its circulation through the heat exchanger, a probe remains in a "sleeping" state from the acquisition of one data to the next with the consequent energy saving.
  • the status change to "Download” occurs.
  • the main clock is recovered and the transceiver is placed in the data transfer mode abroad. Once the transfer is completed, the state change to "Disconnected” occurs.
  • a key factor for the correct synchronization of data is the synchronization of the clock of all the probes at the beginning of an acquisition that must be less than 1 ms between all the probes.
  • the RBS Protocol "Reference Broadcasts Synchronization” [13] meets time and energy consumption restrictions.
  • An essential feature of the probes 15 is that they must measure the temperature variations of the small volume of water that accompanies them during their circulation through the heat exchanger.
  • they have a spherical configuration and a diameter of less than 30 mm and in a more preferred embodiment a size of less than 25 mm.
  • the probes 15 are provided with pressure sensors. Said sensors are useful for calculating more effectively the position of the probe at the time of measuring the temperature.
  • the installation additionally comprises step detectors (not shown) installed next to the insertion and extraction valves 35. Said step detectors allow to increase the precision in the calculation of the transit time of The probes
  • the computer sub-system The computer sub-system
  • the computer sub-system 41 basically consists of a computer equipped with means of communication with the probes 15 and a computer program to control the physical elements of the system 27, 35, 37, the configuration of the probes 15, as well as for the reception and analysis of the measures taken.
  • the heat transfer takes place from the thermal fluid to the ground or vice versa through the walls of the ducts and the filling materials. If the soil is homogeneous and isotropic in its thermal characteristics, the heat transferred will be proportional to the temperature difference between the thermal fluid and the soil, the theory of the Kelvin Linear Source being applicable. In a steady state, the effective thermal conductivity of the soil can be calculated as the arithmetic mean of the temperatures at and out of the thermal fluid. But this calculation does not allow to differentiate the effects of the different geological layers or the presence of underground water flows or the dynamic behavior of the terrain.
  • said computer program may include the corresponding code to calculate the thermal conductivity of the different geological layers that the heat exchanger coupled to the ground passes through, as well like other interesting parameters, such as the recovery time of the land.
  • the computer program may include code to compare the results obtained with conventional methods.
  • An important feature of the present invention is that the spatial references of the temperature measurements provided by the probes 15 are known through the calculation of the distance traveled during its circulation by the heat exchanger coupled to the ground since the speed is controlled of the flow. In other systems, spatial references are obtained from pressure measurements provided by pressure sensors.
  • the probes 15 do not necessarily include the use of pressure sensors, although they can optionally incorporate them as an aid in the calculation of the position of the probe.
  • An important advantage of the system object of the present invention is its easy transportability and installation. Another important advantage of the system object of the present invention is the possibility of its use by non-specialized personnel.

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Abstract

Procedimientos y aparatos para la medición dinámica de la temperatura de un fluido en un intercambiador de calor acoplado al terreno. Los procedimientos comprenden los siguientes pasos: a) proporcionar una pluralidad de sondas (15) con un sensor de temperatura y medios de almacenamiento temporal y transmisión inalámbrica de mediciones; b) proporcionar una instalación (21 ) para hacer circular y controlar un fluido así como una pluralidad de dichas sondas (15) por el intercambiador; c) utilizar dichas sondas (15) para obtener mediciones de la temperatura del fluido a intervalos temporales prefijados durante su circulación por el intercambiador; d) almacenar los datos obtenidos en la etapa c) en un soporte apto para su utilización posterior. La invención también se refiere a las características estructurales de dichas sondas (15) y de dicha instalación (21 ).

Description

PROCEDIMIENTOS Y APARATOS PARA LA MEDICIÓN DINÁMICA DE LA TEMPERATURA DE UN FLUIDO EN UN INTERCAMBIADOR DE CALOR ACOPLADO AL TERRENO
CAMPO DE LA INVENCIÓN
La presente invención se refiere a procedimientos y aparatos para Ia medición de Ia temperatura en un intercambiador de calor acoplado al terreno y más particularmente para Ia medición dinámica de Ia temperatura de un fluido circulando por un intercambiador de calor acoplado al terreno.
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN
La energía geotérmica (además de Ia energía de las mareas) es Ia única forma de energía renovable independiente del sol, teniendo su fuente definitiva en el interior de Ia tierra.
En los últimos años, el crecimiento de los sistemas de calefacción geotérmica se estima entre un 10% a un 30% anual [1]. Las tecnologías disponibles pueden reducir el consumo e incrementar Ia eficiencia del sistema [2], [3], así como reducir las emisiones de CO2. Todos estos aspectos están reflejados ampliamente en las referencias [4] - [7].
La Comunidad Europea y otras organizaciones internacionales como Ia
DOE o Ia "American International Energy Agency" se refieren a dichos sistemas dentro del campo de Ia producción de calor mediante energías renovables. En este sentido se dispone de documentos que cuantifican el calor producido en distintos países de Ia Comunidad Europea [4].
Una de las posibilidades para el empleo de Ia energía térmica son los sistemas denominados Bomba de Calor Geotérmica ("geothermal heat pump o GHP"),o Sistema de Pozos I ntercambiadores de Calor ("borehole heat exchangers, BHE"), los cuales se apoyan en Ia transferencia de calor mediante conducción desde los pozos de una perforación. Un fluido de transferencia térmica (habitualmente agua) circula en un lazo y lleva el agua caliente a una bomba de calor. La longitud de los intercambiadores de calor acoplados al terreno, necesarios para una producción de energía determinada, depende de las características del terreno tales como temperatura, tamaño y forma de partículas, contenido de humedad y coeficientes de transferencia de calor. El dimensionamiento correcto de los intercambiadores de calor acoplados al terreno es problemático. El sobredimensionamiento tiene unas consecuencias negativas, sobre todo económicas, mucho más importantes que en aplicaciones de climatización convencionales, de ahí Ia necesidad de desarrollar métodos que permitan su diseño y optimización antes de acometer su construcción. Uno de estos métodos es el Test de Respuesta Térmica (TRT), para obtener los parámetros térmicos del terreno. El TRT típico consiste en inyectar una cierta carga de calor dentro del intercambiador de calor acoplado al terreno y medir los cambios de temperatura en el fluido circulante. El TRT fue desarrollado inicialmente en Suecia y USA en 1995 [8] y se usa actualmente en muchos países para dimensionar intercambiadores térmicos acoplados al terreno [9]. Un aspecto delicado del proceso de medida es el mantenimiento constante de Ia transferencia de calor porque errores del 5% pueden implicar errores en Ia conductividad térmica de hasta el 40% [9]. Además, el TRT realiza Ia medición de Ia temperatura del fluido únicamente en Ia entrada y salida del sistema, e ignora las variaciones que las propiedades físicas del suelo, como Ia estructura o Ia presencia de capas freáticas, pueden producir sobre Ia conductividad térmica del terreno.
Otros trabajos han explorado métodos alternativos al TRT para obtener Ia conductividad térmica del terreno: un sistema muy complejo basado en termómetros de fibra óptica [10], y Ia determinación de Ia conductividad utilizando un conocimiento previo del flujo geotérmico local [11]. La importancia de Ia disponibilidad de técnicas TRT queda demostrada en Ia iniciativa de Ia "Energy Conservation through Energy Storage (ECES), Implementing Agreement (IA) of International Energy Agency (IEA)" de lanzar en 2006 el Anexo 21 "Thermal Response Test" [12]. En ese sentido, uno de los factores importantes a tener en cuenta es Ia evolución de Ia temperatura del fluido térmico en los intercambiadores de calor acoplados al terreno, existiendo una demanda de métodos y aparatos que permitan obtener mediciones de esa evolución de manera eficiente.
La presente invención está orientada a Ia atención de esa demanda.
Referencias
[1] J. E. Bose, M. D. Smith, J. D. Spitler, Advances in ground source heat pump systems. An international overview, 7th IEA Conference on Heat Pump
Technologies, Beijing China May 2002. [2] J. F. Urchueguía, M. Zacares, A. Montero, J. Martos, Experimental comparative analysis of a ground coupled heat pump system versus a conventional air-to-air heat pump in typical conditions of the European
Mediterranean coast. Climamed 2006 Lyon (France).
[3] J. F. Urchueguía, M. Zacares, J. M. Corberán, A. Montero, J. Martos, H. Wtite Comparíson between the energy performance of a ground coupled water to water heat pump system and an air to water heat pump system for heating and cooling in typical conditions of the European Mediterranean coast. Energy
Conversión and Management 2008 (in press)
[4] Libro Blanco Para Una Estrategia Comunitaria y Plan De Acción; Comunicación de Ia Comisión: Com(97)599 Final (26/11/1997) Energy for the
Future: Renewable Sources of Energy
[5] Commission Staff Working Document, The share of renewable energy in the
EU, Country Profiles, Overview of Renewable Energy Sources in the Enlarged
European Union (Brussels, 26.5.2004 SEC(2004) 547) - A -
[6] Y. Genchi, Y. Kikegawa, A. Inaba, CO2 payback-time assessment of a regional-scale heating and cooling system using a ground source heat-pump in a high energy-consumption área in Tokyo, Applied Energy 71 (2002) 147-160 [7] B. Sanner, C. Karytsasb, D. Mendrinosb, L. Rybachc, Current status of ground source heat pumps and underground thermal energy storage in Europe, Geothermics 32 (2003) 579-588.
[8] W. A. Austin, Development of an in-situ system for measuring ground thermal properties, Master thesis Oklahoma State University, Oklahoma 1998. [9] HJ. L. Witte, AJ. van Gelder, J. D. Spitle; In-situ measurement of ground thermal conductivity: The dutch perspepctive, ASHRAE Transactions, Volume 108, No. 1., 2002.
[10] E. Hurtig, B. Ache, S. Groβwig, K. Hánsel; Fibre optic temperature measurements: a new approach to determine the dynamic behaviour of the heat exchanging médium inside a borehole heat exchanger, TERRASTOCK 2000, 8th International Conference on Thermal Energy Storage Stuttgart, August 28th to Septemberi st, 2000.
[11] E. Rohner, L. Rybach, U. Schaárli; A new, small, wireless instrument to determine ground thermal conductivity In-Situ for borehole heat exchange design, Proceedings World Geothermal Congress 2005, Antalya, Turkey. [12] B. Nordell, M. Reuss, G. Hellstróm Annex 21 : Thermal Response Test. Draft, Nov. 2006.
[13] B. Sundararaman, U. Buy, A. D. Kshemkalyani; Clock synchronization for wireless sensor networks: a survey, Ad-Hoc network, 3(3): 282-323, 2005
SUMARIO DE LA INVENCIÓN
Un objeto de Ia presente invención es proporcionar un procedimiento para Ia medición dinámica de Ia temperatura de un fluido circulante en un intercambiador de calor acoplado al terreno. Otro objeto de Ia presente invención es proporcionar una sonda para Ia med ición d i nám ica de Ia tem peratu ra de u n fl u ido circu lante en u n intercambiador de calor acoplado al terreno.
Otro objeto de Ia presente invención es proporcionar una instalación para Ia med ición d inám ica de Ia temperatura de un flu ido circulante en un intercambiador de calor acoplado al terreno
En un primer aspecto, esos y otros objetos se consiguen con un procedimiento para Ia medición dinámica de Ia temperatura de un fluido en un intercambiador de calor acoplado al terreno que comprende los siguientes pasos: a) Proporcionar una pluralidad de sondas con un sensor de temperatura y medios de almacenamiento y transmisión inalámbrica de una pluralidad de mediciones de temperaturas realizadas con dicho sensor. b) Proporcionar una instalación para hacer circular un fluido así como una pluralidad de dichas sondas por el intercambiador de calor acoplado al terreno, controlando su velocidad. c) Utilizar dichas sondas para obtener mediciones de Ia temperatura del fluido a intervalos temporales prefijados durante su circulación por el intercambiador de calor acoplado al terreno. d) Almacenar los datos obtenidos en Ia etapa c) en un soporte apto para su utilización posterior.
En un segundo aspecto, esos y otros objetos se consiguen con una sonda autónoma para Ia medición de Ia temperatura de un fluido circulante, según el procedimiento que acabamos de mencionar, que comprende un sensor de temperatura de su entorno y medios de almacenamiento y transmisión inalámbrica de las mediciones realizadas durante un período de tiempo determinado, de acuerdo con un programa preestablecido y que tiene una forma esférica y Ia misma densidad de dicho fluido.
En una realización preferente Ia sonda tiene un diámetro menor de 30 mm y en una realización aún más preferente un diámetro menor de 25 mm. Se consigue con ello una sonda cuyo tamaño permite que se desplace un reducido volumen de fluido térmico y que, por Io tanto, no altere el comportamiento térmico del punto donde se mide Ia temperatura.
En una realización preferente, las sondas comprenden también un sensor de presión. Se consigue con ello mejorar Ia precisión en el cálculo de Ia posición de Ia sonda en el momento de Ia medida de Ia temperatura.
En otro aspecto, esos y otros objetivos se consiguen con una instalación para Ia medición dinámica de Ia temperatura de un fluido en un intercambiador de calor acoplado al terreno que comprende: - Un equipo hidráulico para hacer circular un fluido por el intercambiador de calor a una velocidad predeterminada que incluye un conducto de entrada y un conducto de salida al/del mismo, una válvula de inserción de las sondas mencionadas en dicho conducto de entrada y una válvula de extracción de dichas sondas de dicho conducto de salida; - Un equipo informático con medios de control de dicho equipo hidráulico y medios de comunicación inalámbrica con dichas sondas para proporcionarles los parámetros de configuración y para recibir los datos de las mediciones de temperatura obtenidos durante su circulación por el intercambiador de calor acoplado al terreno así como medios de almacenamiento de dichos datos. En una realización preferente los medios de control del equipo hidráulico comprenden medios para controlar el momento de Ia inserción y extracción de dichas sondas. Se consigue con ello un control muy preciso de Ia dinámica de circulación de las sondas.
En una realización preferente, Ia instalación para Ia medición dinámica de Ia temperatura comprende detectores de paso instalados junto a las válvulas de inserción y de extracción. Se consigue con ello mejorar Ia precisión de Ia medida del tiempo de tránsito de Ia sonda por el intercambiador.
En una realización preferente, el equipo hidráulico incluye medios de calentamiento y enfriamiento del fluido, mediante el empleo de dispositivos tales como bombas de calor, células Peltier, sistemas de resistencias o similares, empleados individualmente o en combinación. Se consigue con ello que las medidas dinámicas de Ia evolución de Ia temperatura se puedan hacer para distintas temperaturas del fluido a Ia entrada del intercambiador térmico acoplado al terreno. Otras características y ventajas de Ia presente invención se desprenderán de Ia descripción detallada que sigue de una realización ilustrativa de su objeto en relación con las figuras que Ie acompañan.
DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS
La Figura 1 es una vista esquemática de Ia instalación objeto de Ia presente invención.
Las F i g u ra s 2 y 3 muestran dos config u raciones típicas de intercambiadores de calor acoplados al terreno. La Figura 4 muestra una imagen del circuito electrónico de Ia sonda autónoma en una realización preferente de Ia presente invención.
DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN
Para simplificar Ia descripción detallada de Ia presente invención nos referiremos a ella como un sistema en el que cabe enmarcar los procedimientos y aparatos que son objeto específico de Ia misma.
El sistema para Ia medición dinámica de Ia temperatura del fluido térmico en un intercambiador de calor acoplado al terreno comprende tres sub-sistemas básicos:
- Un sub-sistema hidráulico para gestionar Ia circulación del fluido térmico por el intercambiador de calor acoplado al terreno.
- Un sub-sistema de medición de Ia temperatura del fluido térmico, compuesto por un conjunto de sondas autónomas que se hacen circular por dicho intercambiador y son capaces de transferir las mediciones realizadas mediante señales de radio. - Un sub-sistema informático para el control del subsistema de medición y el registro y análisis de las mediciones realizadas.
El sub-sistema hidráulico
La Figura 1 muestra esquemáticamente el sub-sistema hidráulico como un equipo hidráulico, que forma parte de Ia instalación 21 , con un conducto de ida 23 y un conducto de vuelta 25 conectados por un lado a un tanque contenedor (no representado) de un fluido, preferentemente agua, y por otro lado a un intercambiador de calor acoplado al terreno (no representado), una bomba de circulación 27 asociada a un caudalímetro 29 y dos válvulas 35, 37 para, respectivamente, Ia inserción de sondas 15 en el conducto de ida 23 y Ia recuperación de sondas 15 en el conducto de vuelta 25.
El sub-sistema hidráulico comprende también medios de calentamiento y enfriamiento del fluido (no representados). Dichos medios pueden consistir en d ispositivos tales como bombas de calor, células Peltier, sistemas de resistencias o similares, empleados bien individualmente o en combinación.
Adicionalmente, el equipo hidráulico también incluye un conjunto de sensores (no representados salvo el caudalímetro 29) para monitorizar varias variables de interés tales como el caudal, Ia temperatura del agua a Ia entrada y salida del intercambiador térmico, Ia temperatura en el tanque y Ia presión en los conductos.
La Figura 1 también ilustra una comunicación inalámbrica entre las sondas 15 y un equipo informático 41 al que nos referiremos en detalle más adelante.
Las Figuras 2 y 3 muestran dos configuraciones típicas de intercambiadores de calor acoplados al terreno en los que puede utilizarse el sistema objeto de Ia presente invención: una configuración 1 1 en forma de U y una configuración 13 con conductos coaxiales. Esos intercambiadores de calor 11 , 13 están dispuestos en pozos 25 perforados en el terreno entre un material de relleno 17 apropiado. La transferencia de calor tiene lugar desde el fluido térmico al terreno o viceversa a través de las paredes de los conductos 11 , 13 y los materiales de relleno 17.
La instalación 21 mencionada está configurada para acoplarse al intercambiador de calor 11 en forma de U, pero como bien comprenderá el experto en Ia materia Ia invención también comprende una instalación configurada para acoplarse a un intercambiador de calor 13 coaxial.
El sub-sistema de medición
El objetivo de Ia invención es obtener mediciones de utilidad para determinar el comportamiento espacial y temporal del intercambiador de calor acoplado al terreno y en particular mediciones de Ia temperatura del fluido térmico circulando a través de Ia totalidad del intercambiador de calor en varios momentos temporales separados por intervalos de duración preestablecida. Así pues, los instrumentos de medida deben ser capaces de medir los cambios de temperatura del fluido circulando por el conducto.
Los instrumentos de medida que se utilizan en una realización preferente de Ia invención son sondas autónomas de temperatura 15 de pequeña dimensión que pueden moverse con Ia corriente de agua a Io largo del intercambiador de calor y que disponen de un sistema de adquisición, almacenamiento y descarga de los datos de temperatura, así como de Ia fuente de energía necesaria.
En una realización preferente esas sondas comprenden un circuito basado en un transceptor de radiofrecuencia para dispositivos de corto alcance ("Short Range Device, SRD") en una banda libre ISM ("Industrial, Scientific, Medical"), un sistema programable de adquisición basado en microcontrolador, un d ispositivo de memoria para almacenamiento temporal de los datos adquiridos, un circuito de monitorización de Ia temperatura y una batería para proporcionarle energía. Sus principales características funcionales son las siguientes: • Rango de temperatura: 0-40°. • Resolución de Ia temperaturas 0.05°.
• Precisión de Ia temperaturas 0.05°.
• Rango de muestreo: 0,1 -10 s.
• Capacidad de muestreo: 1000 muestras. El transceptor incluye un microcontrolador que se encarga de Ia gestión de las comunicaciones, Ia adquisición de datos y el suministro de energía y lleva un cód igo embebido para el control en cuatro estados diferentes: "Desconectado", "Configuración", "En adquisición", "Descarga".
La sonda está en estado "Desconectado", sin consumir energía, mientras espera a ser usada para medir temperaturas. Una señal apropiada provoca el cambio al estado "Configuración" para recibir las indicaciones correspondientes para Ia medición de temperaturas. El protocolo es muy simple para alcanzar una buena eficiencia energética y ahorrar energía. La longitud de los mensajes es corta y se minimizan los acuses de recibo ya que Ia distancia entre los transceptores es pequeña y Ia tasa de error reducida. Cuando se completa Ia configuración, se produce el cambio al estado "En adquisición". Como en este estado el transceptor no trabaja, es posible utilizar Ia frecuencia de un reloj secundario en vez de Ia del principal para ahorrar energía. A Io largo de su circulación por el intercambiador de calor, una sonda permanece en estado "dormido" desde Ia adquisición de un dato hasta el siguiente con el consiguiente ahorro de energía. Cuando se han efectuado todas las mediciones, se produce el cambio de estado a "Descarga". Se recupera el reloj principal y se sitúa al transceptor en el modo de transferencia de datos al exterior. Una vez finalizada Ia transferencia se produce el cambio de estado a "Desconectado". U n factor clave para Ia correcta sincron ización de datos es Ia sincronización del reloj de todas las sondas al inicio de una adquisición que debe ser menor de 1 ms entre todas las sondas. Por ejemplo, el Protocolo RBS "Reference Broadcasts Synchronization" [13] cumple las restricciones de tiempo y consumo de energía. Una característica esencial de las sondas 15 es que deben medir las variaciones de temperatura del pequeño volumen de agua que las acompaña durante su circulación por el intercambiador de calor. Por ello deben tener Ia densidad del agua y un tamaño Io más pequeño posible para moverse sin deslizamientos respecto al flujo del fluido térmico. A esos efectos, en una realización preferente de Ia invención, tienen una configuración esférica y un diámetro menor de 30 mm y en una realización más preferente un tamaño menor de 25 mm. Esos tamaños de Ia sonda permiten por otra parte que puedan circular a Io largo de Ia mayoría de intercambiadores de calor acoplados al terreno, cuyos conductos tienen generalmente diámetros superiores.
En una realización preferente de Ia invención, las sondas 15 están provistas de sensores de presión. Dichos sensores resultan de utilidad para calcular más eficazmente Ia posición de Ia sonda en el momento de Ia medida de Ia temperatura. En una realización preferente de Ia invención, Ia instalación comprende, adicionalmente, detectores de paso (no representados) instalados junto a las válvulas de inserción 35 y de extracción 37. Dichos detectores de paso permiten aumentar Ia precisión en el cálculo del tiempo de tránsito de las sondas.
El sub-sistema informático
El sub-sistema informático 41 consiste básicamente en un ordenador dotado de medios de comunicación con las sondas 15 y de un programa de ordenador para controlar los elementos físicos del sistema 27, 35, 37, Ia configuración de las sondas 15, así como para Ia recepción y el análisis de las medidas realizadas.
Se citan seguidamente algunos de los parámetros manejados por dicho programa:
• Parámetros de las mediciones a realizar: caudal del flujo de agua, resolución espacial y tiempo de inserción de las sondas 15. • Parámetros del intercambiador de calor acoplado al terreno en el que se llevan a cabo las mediciones.
• Parámetros relativos al número de sondas 15 a emplear y el periodo entre inserciones a su entrada y su correspondiente extracción a Ia salida de Ia instalación 21.
Respecto a Ia utilidad de los datos recibidos de las sondas, hay que tener en cuenta que Ia transferencia de calor tiene lugar desde el fluido térmico al terreno o viceversa a través de las paredes de los conductos y los materiales de relleno. Si el suelo es homogéneo e isotrópico en sus características térmicas, el calor transferido será proporcional a Ia diferencia de temperatura entre el fluido térmico y el terreno, resultando aplicable Ia Teoría de Ia Fuente Lineal de Kelvin. En estado estacionario, Ia conductividad térmica efectiva del suelo puede ser calculada como Ia media aritmética de las temperaturas en entrada y salida del fluido térmico. Pero este cálculo no permite diferenciar los efectos de las diferentes capas geológicas ni Ia presencia de flujos de agua subterráneos ni el comportamiento dinámico del terreno. En este sentido, y a partir de los datos de temperaturas tomados por dichas sondas según un programa temporal preestablecido dicho programa de ordenador puede incluir el código correspondiente para calcular Ia conductividad térmica de las distintas capas geológicas que atraviesa el intercambiador de calor acoplado al terreno, así como otros parámetros interesantes, tal como el tiempo de recuperación del terreno. Así mismo el programa de ordenador puede incluir código para comparar los resultados obtenidos con métodos convencionales.
Una característica importante de Ia presente invención es que se conocen las referencias espaciales de las medidas de Ia temperatura aportadas por las sondas 15 a través del cálculo de Ia distancia recorrida durante su circulación por el intercambiador del calor acoplado al terreno ya que se controla Ia velocidad del flujo. En otros sistemas las referencias espaciales se obtienen a partir de medidas de presión aportadas por sensores de presión. Las sondas 15 no comprenden necesariamente el uso de sensores de presión, aunque pueden incorporarlos opcionalmente como ayuda en el cálculo de Ia posición de Ia sonda.
Una ventaja importante del sistema objeto de Ia presente invención es su fácil transportabilidad e instalación. Otra ventaja importante del sistema objeto de Ia presente invención es Ia posibilidad de su uso por personal no especializado.
Otra ventaja importante del sistema objeto de Ia presente invención es que perm ite Ia obtención de las mediciones relevantes para evaluar Ia conductividad térmica del terreno en un tiempo corto. Otra ventaja importante del sistema objeto de Ia presente invención es que se puede util izar sobre instalaciones en explotación para medir Ia degradación de Ia respuesta térmica del terreno, o modificaciones del comportamiento térmico de las capas geológicas que atraviesa el intercambiador, gracia a las válvulas de inserción y extracción de las sondas. Otra ventaja importante del sistema objeto de Ia presente invención es que no está limitado su uso a intercambiadores acoplados al terreno realizados con perforaciones verticales, también puede utilizarse en bucles horizontales. En Ia real ización preferente que acabamos de describir pueden introducirse aquellas modificaciones comprendidas dentro del alcance definido por las siguientes reivindicaciones.

Claims

REIVINDICACIONES
1.- Procedimiento para Ia medición dinámica de Ia temperatura de un fluido en un intercambiador de calor acoplado al terreno (1 1 , 13), caracterizado porque comprende los siguientes pasos: a) proporcionar una pluralidad de sondas (15) con un sensor de temperatura y medios de almacenamiento temporal y transmisión inalámbrica de una pluralidad de mediciones de temperaturas realizadas con dicho sensor; b) proporcionar una instalación (21 ) para hacer circular un fluido así como una pluralidad de dichas sondas (15) por el intercambiador de calor acoplado al terreno (11 , 13) controlando su velocidad; c) utilizar dichas sondas (15) para obtener mediciones de Ia temperatura del fluido a intervalos temporales prefijados durante su circulación por el intercambiador de calor acoplado al terreno (11 , 13); d) almacenar los datos obtenidos en Ia etapa c) en un soporte apto para su utilización posterior.
2.- Procedimiento para Ia medición dinámica de Ia temperatura de un fluido en un intercambiador de calor acoplado al terreno (11 , 13) según Ia reivindicación 1 , caracterizado porque las sondas (15) se insertan en Ia instalación (21 ) en una ubicación prefijada y circulan a Ia misma velocidad del fluido de manera que su posición espacial en el intercambiador acoplado al terreno (11 , 13) puede ser determinada en función de Ia velocidad del fluido y el tiempo transcurrido desde su inserción.
3.- Sonda autónoma (15) para Ia medición de Ia temperatura de un fluido circulante según el procedimiento objeto de Ia reivindicación 1 que comprende un sensor de temperatura de su entorno y medios de almacenamiento y transmisión inalámbrica de las mediciones realizadas durante un período de tiempo determinado de acuerdo con un programa preestablecido, caracterizada porque tiene una forma esférica y Ia misma densidad de dicho fluido.
4.- Sonda autónoma (15) según Ia reivindicación 3, caracterizada porque tiene un diámetro menor de 30 mm.
5.- Sonda autónoma (15) según Ia reivindicación 3, caracterizada porque tiene un diámetro menor de 25 mm.
6.- Instalación (21 ) para Ia medición dinámica de Ia temperatura de un fluido en un intercambiador de calor acoplado al terreno (11 , 13), caracterizada porque comprende:
- Un equipo hidráulico para hacer circular un fluido por el intercambiador de calor (11 , 13) a una velocidad predeterminada que incluye un conducto de entrada (23) y un conducto de salida (25) al/del mismo, una válvula de inserción (35) de sondas (15) según las reivindicaciones 3 a 5 en dicho conducto de entrada (31 ) y una válvula de extracción (37) de dichas sondas (15) de dicho conducto de salida (33);
- Un equipo informático (41 ) con medios de control de dicho equipo hidráulico (21 ) y medios de comunicación inalámbrica con dichas sondas (15) para proporcionarles los parámetros de configuración y para recibir los datos de las mediciones de temperatura obtenidos durante su circulación por el intercambiador de calor acoplado al terreno (11 , 13) así como medios de almacenamiento de dichos datos.
7.- Instalación (21 ) para Ia medición dinámica de Ia temperatura de un fluido en un intercambiador de calor acoplado al terreno (1 1 , 13) según Ia reivindicación 6, caracterizada porque dichos medios de control del equipo hidráulico comprenden medios para controlar el momento de Ia inserción y extracción de dichas sondas (15).
8.- Instalación (21 ) para Ia medición dinámica de Ia temperatura de un fluido en un intercambiador de calor acoplado al terreno (1 1 , 13) según cualquiera de las reivindicaciones 6-7, caracterizada porque dicho equipo hidráulico también comprende medios para el calentamiento y enfriamiento del fluido.
9.- Procedimiento para Ia medición dinámica de Ia temperatura de un fluido en un intercambiador de calor acoplado al terreno (1 1 , 13) según cualquiera de las reivindicaciones 1 -2, caracterizado porque Ia pluralidad de sondas (15) están provistas de sensores de presión.
10.- Sonda autónoma (15) según cualquiera de las reivindicaciones 3 a 5, caracterizada porque está provista, adicionalmente, de un sensor de presión.
11.- Instalación (21 ) para Ia medición dinámica de Ia temperatura de un fluido en un intercambiador de calor acoplado al terreno (1 1 , 13) según Ia reivindicación 8, caracterizada porque los medios para el calentamiento y enfriamiento del fluido comprenden el uso de bombas de calor, células Peltier o resistencias, empleados individualmente o en combinación.
12.- Instalación (21 ) para Ia medición dinámica de Ia temperatura de un fluido en un intercambiador de calor acoplado al terreno (1 1 , 13) según cualquiera de las reivindicaciones 6-8, 11 , caracterizada porque comprende, además, detectores del paso de las sondas (15) instalados junto a las válvulas de inserción (35) y de extracción (37).
13.- Instalación (21 ) para Ia medición dinámica de Ia temperatura de un fluido en un intercambiador de calor acoplado al terreno (1 1 , 13) según cualquiera de las reivindicaciones 6-8, 11 -12, caracterizada porque las sondas (15) están provistas de un sensor de presión.
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