WO2021224510A1 - Sistema controlador de cilindros de agua caliente - Google Patents

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WO2021224510A1
WO2021224510A1 PCT/ES2020/070283 ES2020070283W WO2021224510A1 WO 2021224510 A1 WO2021224510 A1 WO 2021224510A1 ES 2020070283 W ES2020070283 W ES 2020070283W WO 2021224510 A1 WO2021224510 A1 WO 2021224510A1
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water cylinder
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Alvaro SANCHEZ MIRALLES
Jaime BOAL MARTIN-LARRAURI
Francisco María MARTIN MARTINEZ
Miguel Manuel MARTIN LOPO
Carlos RODRIGUEZ - MORCILLO GARCIA
Antonio VAZQUEZ BLANCO
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Stemy Energy, S.L.
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    • F24H15/30—Control of fluid heaters characterised by control outputs; characterised by the components to be controlled
    • F24H15/355—Control of heat-generating means in heaters
    • F24H15/37—Control of heat-generating means in heaters of electric heaters

Definitions

  • the present invention reveals a system that makes it possible to measure the temperature of the water inlet and outlet pipes of a water heater with a tank, particularly in water cylinders, as well as the measurement of consumption, making it possible to estimate the stored energy in the cylinder and allowing estimating the times when hot water is used, it also allows predicting user behavior, abnormal hot water operation and optimizing the device's energy consumption
  • Conventional electric domestic hot water heaters typically comprise a tank for storing water and at least one electric element for heating the water stored in the tank.
  • an electric hot water heater is equipped with two ohmic electric elements for heating: one near the top of the tank and the other a short distance from the bottom of the tank.
  • the upper and lower thermostats are typically located closer to each item. These thermostats keep the water temperature in the upper and lower regions at a single preselected set point. Thermostats that incorporate bimetallic switches are often used to maintain tank temperature.
  • a control system for heating an electric hot water tank is desirable that reduces the net energy provided to the tank compared to the energy provided by a conventional hot water heater.
  • a control system that allows most of the heating of a hot water tank to be heated during times when energy is not in high demand is desirable. It is known that the use of time change in heating hot water in domestic hot water tanks can be used to "change" the energy demand requirements for an electric power supplier.
  • the present invention reveals a system that makes it possible to measure the temperature of the water inlet and outlet tubes in a water cylinder, making it possible to estimate the energy stored in the device and allowing to estimate the times when water is used. hot, it also allows predicting user behavior and optimizing the device's energy consumption.
  • the device comprises a water cylinder controller arranged on a housing; two thermocouple cables to measure the temperature of the water inlet and outlet in the cylinder and a Wi-Fi antenna coupled to the Wi-Fi antenna connector.
  • US20150019027 discloses an energy management system for a water heater system comprising a water heater unit for heating water and a motorized unit that circulates said hot water in a recirculation circuit for define one or more user points, where said energy management system comprises: a control center to collect operating parameters of said water heater system and to collect real-time information on the use of hot water in each of said points of user; and a management center operatively linked to said control center for managing said operating parameter of said water heater system and said real-time information of said hot water usage.
  • the system presented is designed to work with an installation that recirculates hot water, which is not the usual case in residential installations, which is the main objective of the present invention, so the device does not control motors, nor does it consist of sensors. remote controls, etc., in addition, the present invention provides great information about water consumption and its use patterns and enables the estimation of thermal consumption and energy stored and lost to the environment.
  • Document EP2636960 discloses a hot water supply control system, comprising: a hot water storage tank; heating means water to perform water heating when an amount of hot water in the hot water storage tank falls below a water heating threshold; energy consumption acquisition means for acquiring an energy consumption consumed by a plurality of electrical appliances, including water heating means; and water heating threshold setting means for setting, when the energy consumption acquired by the energy consumption acquisition means indicates a first energy consumption that is greater than a power consumption threshold.
  • the cited document does not indicate the possibility of predicting the behavior of the users and optimizing the energy consumption of the device, as in the previous document, there is no automatic way in which the cloud platform will assume control of the hot water cylinder, for operate it automatically.
  • European patent EP 3270350 shows a method for estimating the future consumption of domestic hot water supplied by at least one domestic hot water tank comprising: a determination of a history of previous withdrawals of domestic hot water, an estimate of a duration between two previous withdrawals of domestic hot water of a chosen duration model, the model comprises at least one variable parameter, determine the parameter based on the history, and a generation of a scenario of future withdrawals of domestic hot water in a future period, from of the determination of the variable parameter of the chosen model It is about the optimization of energy consumption in sanitary running water in residential facilities by taking measurements of hot water consumption and electricity consumption. This reduction in energy consumption is done by turning the heater on and off based on predictions of demand usage through past behaviors.
  • Patent EP 3270350 uses stochastic methods for the determination of next consumption scenarios, by means of a demand prediction model and based on the flow rate without taking into account the water temperatures as input.
  • the present invention is based on the measurement of temperatures of the sleeves and the measurement of power supplied to the device, in such a way as to be able to estimate the total energy stored in the thermos.
  • This patent indicates that it is necessary to install a flow meter at the outlet of the hot water cylinder, the measurement of the electrical power supplied to the cylinder and the need to estimate the internal temperature profile of the thermos.
  • the present invention aims to determine the temperature inside the tank without having to put an internal sensor or place flow meters, in addition to estimating the size of the water cylinder.
  • hot water in liters and the determination of its insulation a virtual model of the equipment can be developed and does not include that in automatic mode the cloud platform will assume control of the hot water cylinder, to operate it automatically.
  • Figure 1 / 4.- shows a front view of the front panel of the controller (100), where the different elements that allow controlling the system of the invention can be seen.
  • Figure 2 / 4.- shows a horizontal view of the Wi-Fi antenna (200) of the system.
  • Figure 3 / 4.- shows a view of the connection of the thermocouple cables (300) on the back of the controller (100).
  • Figure 4 / 4.- shows a diagram of a hot water cylinder, where the variables that allow modeling the algorithm that estimates the energy stored in the cylinder are shown.
  • the invention reveals a controller system for electric hot water cylinders that performs temperature measurements of the water inlet and outlet pipes to the tank, as well as measurements of its consumption, making it possible to estimate the energy stored in the device and allowing to estimate the times when hot water is used.
  • the temperature measurement is carried out using thermocouple cables.
  • the system has an internet connection, enabling communication with servers or the cloud, both to enable remote management with an application or web page and to be controlled by artificial intelligence.
  • the device of the invention makes it possible to control the hot water depending on the quantity of heating elements contained in the cylinder, base load element and reinforcement load element. PREFERRED EMBODIMENT OF THE INVENTION
  • the present invention reveals a system that makes it possible to measure the temperature of the water inlet and outlet tubes in a water cylinder, as well as the consumption measurement, making it possible to estimate the energy stored in the device and allowing to estimate the moments in those that use hot water, this is done, it also allows predicting behavior in users, detecting abnormal behavior in hot water and optimizing the energy consumption of the device.
  • the system has an internet connection, enabling communication with servers, both to enable remote management with an application or web page and to be controlled by artificial intelligence.
  • the system can be used in cases where the hot water cylinder has two heating elements or only one heating element.
  • the system comprises a water cylinder controller (100), a communications antenna (200) that allows it to be connected to the internet, preferably via Wi-Fi, and two thermocouple cables (300).
  • the water cylinder controller (100) is located on a housing with a front panel where the elements that allow managing the system are arranged, where the front panel incorporates a mode button (1) that allows changing the operating mode; an operation indicator (2) that reflects the current mode of operation and the status of the load switch; an increase button (3) that enables the boost load; a reset button (4) that resets the controller if necessary; a communications indicator (5) showing the status of connectivity; a configuration button (6) that allows configuring the communications using the connection passwords; a light sensor (7) that measures the intensity of ambient light; a temperature sensor (8) that measures the ambient temperature; a base load fuse (9) that protects the base circuit against overloads; a boost load fuse (10) that protects the boost circuit against overloads; a main switch (11) that isolates the loads in the off position and allows the controller (100) to control the loads in the on position; and a communications antenna connector (12).
  • a mode button (1) that allows changing the operating mode
  • an operation indicator (2) that reflects the current mode of operation and the status
  • the system also comprises two thermocouple cables (300), where the end of a first thermocouple cable (300) is arranged at the cold water inlet of the water cylinder. hot and the end of the second thermocouple wire (300) is arranged at the hot water outlet (300) and where the free ends of both thermocouple wires (300) are directed and connected to the controller (100); and an antenna (200) coupled to the communications antenna connector (12) for the connection of the controller (100) with another server or with the cloud where the information is processed.
  • the communications allow the connection of the system with another server or with the cloud where the information is processed through the data collected from the user's use and electricity rates and through an algorithm it models the behavior of the user and the temperature of the water cylinder. .
  • the mode button (1) operates under the following hot water controller modes:
  • Manual Mode the system heats the contents of the cylinder under the periods of time selected by the user. Useful when the user has different electricity rates depending on the time of day. The system still collects data on usage and temperatures and is sent to the server or the cloud to model the behavior of the user and the hot water cylinder.
  • Automatic mode the system collects data and models the behavior of the user and the hot water cylinder and communicates with a server or the cloud that schedules the heating periods to optimize various target behaviors considering the comfort of the user.
  • This objective behavior can include stability of the electrical network, efficiency, reduction of consumption, reduction of costs, among others.
  • thermocouple cable is a temperature sensor composed of two different metals, joined at one end that is sensitive to changes in temperature.
  • K and J type thermocouples are models composed of a positive and negative conductor that they generate a signal in MV which will translate a control equipment such as the controller (100) of the invention.
  • thermocouple cables (300) The installation of the thermocouple cables (300) is carried out by placing a cable at both the cold water inlet to the hot water cylinder and the hot water outlet, this is preferably done with Kapton tape for heat resistance, the opposite end is marked cables (300) before routing them to the controller (100) to ensure that they are then installed correctly in their positions, the thermocouple cables (300) are routed to the controller box (100), that is, the end of A first thermocouple wire (300) is arranged at the cold water inlet of the hot water cylinder and the end of the second thermocouple wire (300) is arranged at the hot water outlet (300) and the free ends of both thermocouple wires (300) are directed and connected to the controller (100).
  • thermocouple wires (300) are connected to the terminal blocks on the back of the controller front cover (100), taking into account the labels for the cold input and the hot output, and the positive and negative signs.
  • the negative (-) poles will be labeled white, and positive (+) can be any other color.
  • the system allows to measure the inlet and outlet temperature of the water from the cylinder as well as the electrical power. This avoids having to open the water circuit for installation, which can be done simply by attaching devices to the surface of the cylinder pipes.
  • an appropriate algorithm can estimate the total energy stored in the cylinder.
  • the measurement data obtained is sent to a central server or to the cloud where it is stored together with data on electricity rates, user history data, connection time, etc. and they are processed by means of an algorithm allowing the estimation of the stored energy, times in which the hot water is used, etc., it also predicts the behavior of the users and optimizes the energy consumption of the device.
  • the system measures the temperature of the hot (THot) and cold (TCoid) pipes and the ambient temperature (TAmbient) (see figure 4).
  • the system also records the heating power introduced into the hot water cylinder and whether or not the power is applied to the cylinder heating element.
  • Water consumption is important when measuring pipe temperature. When no consumption occurs, both THot and TCoid will tend to TAmbient while, when consumption occurs, those measurements will deviate from it.
  • the model can be applied by means of the following algorithms:
  • TMax is the maximum heating temperature of the cylinder and corresponds to the temperature of the water in the cylinder when it reaches the maximum energy state (EMax). The user can provide this temperature manually or it can be easily measured as the maximum recorded temperature THot. This maximum recorded temperature THot will occur at any time of water consumption during a maximum power state of the hot water cylinder.
  • EtO energy stored in the cylinder at time tO.
  • Et1 energy stored in the cylinder at time t1.
  • EPLoss energy losses between tO and t1.
  • EPHeating energy used to heat the cylinder between tO and t1.
  • PLoss (t) A more accurate model would also take the ambient temperature as an input to the PLoss model, which varies with time (PLoss (t)).
  • the actual thermal losses must be proportional to the difference in temperature inside the hot water cylinder and the ambient temperature (Tavg-TAmbient). If the tank begins the period in a state of maximum energy, Tavg is known because it is equal to Tmax, the maximum heating temperature. This information can be used to train fit loss coefficients of the model.
  • PLoss (t) FUNCTION (t, Tavg, TAmbient, t1, tO, EPLoss)
  • the temperature of the pipeline will reach a stable state close to ambient temperature when hot water is not consumed.
  • Water consumption and user behavior models can be used to estimate future energy withdrawals through hot water consumption.
  • Models as simple as probabilistic prediction between withdrawals can be applied. Other options include ARMA or GARCH models or adaptive neural networks. Reinforcement learning models can also perform this task, but in general, the prediction of water consumption is closely related to the extraction durations. For example, there are routines that require the consumption of hot water that can be characterized, for this reason, the duration of the extraction and the time between extractions are closely related. In this case, predicting both parameters together can lead to better results when predicting user behavior.

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Abstract

La presente invención revela un sistema que permite realizar medidas de temperatura de los tubos de entrada y salida de agua en un cilindro de agua, posibilitando la estimación de la energía almacenada en el dispositivo y permitiendo estimar los momentos en los que se hace uso del agua caliente, además permite predecir comportamiento en los usuarios, detectar anomalías en el agua caliente y optimizar el consumo energético del dispositivo. El dispositivo comprende un controlador del cilindro de agua (100) dispuesto sobre una carcasa; dos cables termopares (300) para medir la temperatura de la entrada y salida del agua en el cilindro y una antena (200) acoplada al conector de antena (12) para la conexión del controlador (100) con otro servidor o con la nube donde se procesa la información.

Description

SISTEMA CONTROLADOR DE CILINDROS DE AGUA CALIENTE
OBJETO DE LA INVENCIÓN
La presente invención revela un sistema que permite realizar medidas de temperatura de los tubos de entrada y salida de agua de un calentador de agua con deposito, en particular en cilindros de agua, así como la medida de consumo, posibilitando la estimación de la energía almacenada en el cilindro y permitiendo estimar los momentos en los que se hace uso del agua caliente, además permite predecir comportamiento en los usuarios, funcionamientos anómalos del agua caliente y optimizar el consumo energético del dispositivo
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN
Los calentadores de agua caliente domésticos eléctricos convencionales comprenden típicamente un tanque para el almacenamiento de agua y al menos un elemento eléctrico para calentar el agua almacenada en el tanque. Típicamente, un calentador eléctrico de agua caliente está equipado con dos elementos eléctricos óhmicos para calefacción: uno cerca de la parte superior del tanque y otro a una pequeña distancia del fondo del tanque.
Los termostatos superior e inferior se ubican típicamente más cerca de cada elemento. Estos termostatos mantienen la temperatura del agua en las regiones superior e inferior en un único punto de ajuste preseleccionado. A menudo se utilizan termostatos que incorporan interruptores bimetálicos para mantener la temperatura del tanque.
Desde el punto de vista de un proveedor de energía, los calentadores de agua convencionales requieren energía a todas las horas del día. En consecuencia, aunque un usuario no tiene necesidad de agua caliente y la energía eléctrica puede ser una ventaja para el proveedor de energía debido a la demanda máxima de energía en toda la red de energía eléctrica, los elementos de un calentador de agua caliente pueden estar consumiendo energía eléctrica.
Desde la perspectiva del consumidor, es deseable un sistema de control para el calentamiento de un tanque eléctrico de agua caliente que reduzca la energía neta proporcionada al tanque en comparación con la energía proporcionada por un calentador de agua caliente convencional. Desde la perspectiva de un proveedor de energía, es deseable un sistema de control que permita calentar la mayor parte del calentamiento de un tanque de agua caliente durante los momentos en que la energía no tiene una gran demanda. Se sabe que el uso del cambio de tiempo en el calentamiento del agua caliente en los tanques de agua caliente sanitaria puede usarse para "cambiar" los requisitos de demanda de energía para un proveedor de energía eléctrica.
La presente invención revela un sistema que permite realizar medidas de temperatura de los tubos de entrada y salida de agua en un cilindro de agua, posibilitando la estimación de la energía almacenada en el dispositivo y permitiendo estimar los momentos en los que se hace uso del agua caliente, además permite predecir comportamiento en los usuarios y optimizar el consumo energético del dispositivo. El dispositivo comprende un controlador del cilindro de agua dispuesto sobre una carcasa; dos cables termopares para medir la temperatura de la entrada y salida del agua en el cilindro y una antena Wi-Fi acoplada al conector de antena Wi- Fi.
En el estado de la técnica el documento US20150019027 revela un sistema de gestión de energía para un sistema de calentador de agua que comprende una unidad de calentador de agua para calentar agua y una unidad motorizada que hace circular dicha agua caliente en un circuito de recirculación para definir uno o más puntos de usuario, donde dicho sistema de gestión de energía comprende: un centro de control para recopilar parámetros operativos de dicho sistema de calentador de agua y para recopilar información en tiempo real del uso de agua caliente en cada uno de dichos puntos de usuario; y un centro de gestión operativamente vinculado a dicho centro de control para gestionar dicho parámetro operativo de dicho sistema de calentador de agua y dicha información en tiempo real de dicho uso de agua caliente. El sistema que se presenta está pensado para funcionar con una instalación que recircula el agua caliente, que no es el caso habitual en instalaciones residenciales que es el objetivo principal de la presente invención, por lo que el dispositivo no controla motores, ni consta de sensores remotos, etc., además la presente invención aporta gran información acerca del consumo de agua y sus patrones de uso y habilita la estimación de consumos térmicos y energía almacenada y perdida al ambiente.
El documento EP2636960 revela un sistema de control de suministro de agua caliente, que comprende: un tanque de almacenamiento de agua caliente; medios de calentamiento de agua para realizar el calentamiento de agua cuando una cantidad de agua caliente del tanque de almacenamiento de agua caliente cae por debajo de un umbral de calentamiento de agua; medios de adquisición de consumo de energía para adquirir un consumo de energía consumido por una pluralidad de aparatos eléctricos, incluidos los medios de calentamiento de agua; y medios de ajuste del umbral de calentamiento de agua para establecer, cuando el consumo de energía adquirido por los medios de adquisición de consumo de energía indica un primer consumo de energía que es mayor que un umbral de consumo de energía. El documento citado no indica la posibilidad de predecir el comportamiento en los usuarios y optimizar el consumo energético del dispositivo al igual que en el documento anterior no existe el modo automático en que la plataforma en la nube asumirá el control del Cilindro de agua caliente, para operarlo automáticamente.
La patente europea EP 3270350 muestra un método para estimar el consumo futuro de agua caliente sanitaria suministrada por al menos un tanque de agua caliente sanitaria que comprende: una determinación de una historia de extracciones anteriores de agua caliente sanitaria, una estimación de una duración entre dos extracciones anteriores de agua caliente sanitaria de un modelo de duración elegido, el modelo comprende al menos un parámetro variable, determinar el parámetro en función del historial, y una generación de un escenario de futuras extracciones de agua caliente sanitaria en un período futuro, a partir de la determinación del parámetro variable del modelo elegido Se trata de la optimización del consumo energético en agua corriente sanitaria en instalaciones residenciales mediante la toma de medidas de consumo de agua caliente y de consumo eléctrico. Esta reducción de consumo energético se realiza mediante el encendido y apagado del calentador basándose en predicciones del uso de la demanda a través de comportamientos pasados.
La patente EP 3270350 utiliza métodos estocásticos para la determinación de escenarios de consumo próximos, por medio de un modelo de predicción de la demanda y basándose en el caudal sin tomar en cuenta las temperaturas del agua como entrada. La presente invención se basa en la medida de temperaturas de los manguitos y la medida de potencia aportada al dispositivo, de tal manera de poder estimar la energía total almacenada en el termo. Esta patente indica que es necesaria la instalación de un medidor de caudal a la salida del cilindro de agua caliente, la medida de la potencia eléctrica que se aporta al cilindro y de la necesidad de estimar el perfil de temperatura interior del termo. Sin embargo, la presente invención tiene como objetivo determinar la temperatura del interior del tanque sin tener que poner un sensor interno o colocar caudalímetros, además con la estimación de tamaño del cilindro de agua caliente en litros y la determinación del aislamiento del mismo se puede desarrollar un modelo virtual del equipo y no incluye que en modo automático la plataforma en la nube asumirá el control del Cilindro de agua caliente, para operarlo automáticamente.
DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS
Para complementar la descripción que se está realizando y con el objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características del invento, de acuerdo con un ejemplo preferente de la realización práctica del mismo, se acompaña como parte integrante de dicha descripción, un juego de dibujos en donde con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente:
Figura 1/4.- muestra una vista frontal del panel frontal del controlador (100), donde se pueden apreciar los distintos elementos que permiten controlar el sistema de la invención.
Figura 2/4.- muestra una vista horizontal de la antena Wi-Fi (200) del sistema.
Figura 3/4.-muestra una vista de la conexión de los cables termopares (300) en la parte posterior del controlador (100).
Figura 4/4.-muestra un esquema de cilindro de agua caliente, donde se muestran las variables que permiten modelar el algoritmo que estima la energía almacenada en el cilindro.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN
La invención revela un sistema controlador para cilindros de agua caliente eléctricos que realiza medidas de temperatura de los tubos de entrada y salida de agua al tanque, así como medidas de consumo del mismo, posibilitando la estimación de la energía almacenada en el dispositivo y permitiendo estimar los momentos en los que se hace uso del agua caliente. La medida de temperatura se realiza mediante cables termopares. El sistema cuenta con conexión a internet, posibilitando la comunicación con servidores o la nube, tanto para habilitar la gestión remota con una aplicación o página web como para ser controlado por una inteligencia artificial. El dispositivo de la invención permite controlar el agua caliente dependiendo de la cantidad de elementos calefactores contenidos en el cilindro, elemento de carga base y elemento de carga de refuerzo. REALIZACIÓN PREFERENTE DE LA INVENCIÓN
La presente invención revela un sistema que permite realizar medidas de temperatura de los tubos de entrada y salida de agua en un cilindro de agua, así como la medida de consumo, posibilitando la estimación de la energía almacenada en el dispositivo y permitiendo estimar los momentos en los que se hace uso del agua caliente, esto lo realiza, además permite predecir comportamiento en los usuarios, detectar comportamientos anómalos en el agua caliente y optimizar el consumo energético del dispositivo. El sistema cuenta con conexión a internet, posibilitando la comunicación con servidores, tanto para habilitar la gestión remota con una aplicación o página web como para ser controlado por una inteligencia artificial.
El sistema puede ser utilizado en los casos en que el cilindro de agua caliente presente dos elementos calefactores o bien solo un elemento calefactor.
El sistema comprende un controlador del cilindro de agua (100), una antena de comunicaciones (200) que permite conectarlo a internet, donde preferentemente mediante Wi- Fi y dos cables termopares (300).
El controlador del cilindro de agua (100) se encuentra sobre una carcasa con un panel frontal donde se disponen los elementos que permiten gestionar el sistema, donde el panel frontal incorpora un botón de modo (1 ) que permite cambiar el modo de operación; un indicador de operación (2) que refleja el modo de operación actual y el estado del interruptor de carga; un botón de aumentar (boost) (3) que habilita la carga de refuerzo; un botón de borrado (reset) (4) que restablece el controlador en caso necesario; un indicador de comunicaciones (5) que muestra el estado de conectividad; un botón de configuración (6) que permite configurar el las comunicaciones usando las contraseñas de conexión; un sensor de luz (7) que mide la intensidad de la luz ambiental; un sensor de temperatura (8) que mide la temperatura ambiente; un fusible de carga base (9) que protege el circuito base contra sobrecargas; un fusible de carga de refuerzo (10) que protege el circuito de refuerzo contra sobrecargas; un interruptor principal (11 ) que aísla las cargas en la posición de apagado y permite que el controlador (100) controle las cargas en la posición de encendido; y un conector de antena de comunicaciones (12).
El sistema además comprende dos cables termopares (300), donde el extremo de un primer cable termopar (300) se encuentra dispuesto a la entrada de agua fría del cilindro de agua caliente y el extremo del segundo cable termopar (300) se dispone a la salida de agua caliente (300) y donde los extremos libres de ambos cables termopares (300) son dirigidos y conectados al controlador (100); y una antena (200) acoplada al conector de antena comunicaciones (12) para la conexión del controlador (100) con otro servidor o con la nube donde se procesa la información.
Las comunicaciones permiten la conexión del sistema con otro servidor o con la nube donde se procesa la información por medio de los datos recopilados de uso del usuario y tarifas eléctricas y por medio de un algoritmo modela el comportamiento del usuario y la temperatura del cilindro de agua.
El botón de modo (1) opera bajo las siguientes modalidades de controlador el agua caliente:
Modo Apagado: el sistema no calienta el contenido del cilindro de agua caliente. Todavía puede capturar datos como la temperatura ambiente o la temperatura de la tubería. Esto puede ser útil si hay otros elementos de calentamiento, como las calderas, que alimentan el tanque.
Modo Manual: el sistema calienta el contenido del cilindro bajo los períodos de tiempo seleccionados por el usuario. Útil cuando el usuario tiene diferentes tarifas de electricidad según la hora del día. El sistema aún recopila datos sobre el uso y las temperaturas y son enviados al servidor o la nube para modelar el comportamiento del usuario y el cilindro de agua caliente.
Modo Automático: el sistema recopila datos y modela el comportamiento del usuario y el cilindro de agua caliente y se comunica con un servidor o la nube que planifica los períodos de calentamiento para optimizar varios comportamientos objetivo considerando la comodidad del usuario. Este comportamiento objetivo puede incluir estabilidad de la red eléctrica, eficiencia, reducción del consumo, reducción de costos, entre otros.
La medida de temperatura se realiza mediante los cables termopares (300), como se sabe un cable termopar es un sensor de temperatura compuesto por dos metales diferentes, unidos por un extremo que es sensible a los cambios de temperatura. Aunque existen muchos termopares de diferentes tipos, los más comunes en el uso industrial son el termopar tipo K y J., como se ha indicado son modelos compuestos de un conductor positivo y negativo que generan una señal en MV la cual traducirá un equipo de control como el controlador (100) de la invención.
La instalación de los cables termopares (300) se realiza disponiendo un cable tanto a la entrada de agua fría al cilindro de agua caliente como la salida de agua caliente, esto se realiza preferentemente con cinta Kapton para resistencia al calor, se marcan el extremo opuesto de los cables (300) antes de enrutarlos al controlador (100) para asegurarse de que luego se instalen correctamente en sus posiciones, se dirigen los cables del termopar (300) a la caja del controlador (100), esto es, el extremo de un primer cable termopar (300) se encuentra dispuestos a la entrada de agua fría del cilindro de agua caliente y el extremo del segundo cable termopar (300) se dispone a la salida de agua caliente (300) y los extremos libres de ambos cables termopares (300) son dirigidos y conectados al controlador (100).
Finalmente, se conectan los cables termopares (300) a los bloques de terminales en la parte posterior de la cubierta frontal del controlador (100), teniendo en cuenta las etiquetas para la entrada fría y la salida caliente, y los signos positivos y negativos. Siguiendo el estándar de codificación de color de termopar, los polos negativos (-) se etiquetarán en blanco, y positivo (+) puede ser de cualquier otro color.
El sistema permite medir la temperatura de entrada, salida del agua del cilindro además de la potencia eléctrica. Esto evita el tener que abrir el circuito del agua para la instalación, que puede realizarse simplemente acoplando dispositivos a la superficie de las tuberías del cilindro. Mediante la medida de temperaturas y la medida de potencia aportada al sistema, un algoritmo apropiado puede estimar la energía total almacenada en el cilindro. Los datos de medida obtenidos son enviados a un servidor central o bien a la nube donde se almacenan junto con los datos de tarifas eléctricas, datos del historial del usuario, tempo de conexión, etc. y se procesan por medio de un algoritmo permitiendo la estimación de la energía almacenada, tiempos en los que se hace uso del agua caliente, etc., además predice el comportamiento en los usuarios y optimiza el consumo energético del dispositivo.
Algoritmos para el sistema controlador de agua caliente
El sistema mide la temperatura de las tuberías de agua caliente (THot) y fría (TCoid) y la temperatura ambiente (TAmbient) (ver figura 4). El sistema también registra la potencia de calentamiento introducida en el cilindro de agua caliente y si la potencia se aplica o no al elemento calentador del cilindro.
Se aprovecha el hecho que cuando se indique al cilindro que caliente agua, después de un período de tiempo, el elemento calentador deja de consumir energía para no sobrepasar la temperatura máxima del cilindro (TMax). Este es el estado de máxima energía (EMax).
De manera similar, cuando THot es igual a TCoid, mientras se está usando el agua, se tiene un estado de energía conocido del cilindro porque significa que el cilindro está lleno de agua a una temperatura conocida. Este suele ser un estado de energía mínima (EMin).
Es importante el consumo de agua al medir la temperatura de la tubería. Cuando no se produce consumo, tanto THot como TCoid tenderán a TAmbient mientras que, cuando se realiza el consumo, esas mediciones se desviarán de él.
El modelo se puede aplicar por medio de los siguientes algoritmos:
Modelado de temperatura máxima que puede alcanzar el agua TMax
TMax es la temperatura máxima de calentamiento del cilindro y corresponde a la temperatura del agua en el cilindro cuando alcanza el estado de energía máxima (EMax). El usuario puede proporcionar esta temperatura de forma manual o puede medirse fácilmente como la temperatura THot máxima registrada. Esta temperatura THot máxima registrada tendrá lugar en cualquier momento de consumo de agua durante un estado de energía máxima del cilindro de agua caliente.
Modelado por pérdida de energía (PLoss)
Si se tienen dos estados de energía conocidos del sistema en dos momentos separados, se puede modelar las pérdidas ambientales del cilindro de agua caliente. Esto se puede lograr midiendo la potencia inyectada en el sistema entre dos estados de energía máxima sin demanda de agua caliente entre ellos. Este es un escenario común que también puede hacerse cumplir controlando el elemento calentador del cilindro.
EtO - EPLoss + EPHeating = Et1
Dado que EtO = Et1 porque son estados de energía máxima: EPHeating = EPLoss
Siendo:
EtO: energía almacenada en el cilindro en el instante tO. Et1 : energía almacenada en el cilindro en el instante t1.
EPLoss: energía de perdidas entre tO y t1.
EPHeating: energía empleada en calentar el cilindro entre tO y t1 .
Conocer la energía perdida en el sistema en un período de tiempo determinado permite modelar pérdidas. Dependiendo de la aplicación, se pueden considerar varios modelos aquí:
Un modelo simple sería suponer que la energía perdida es constante en el tiempo. Esto significa que PLoss es constante y conocido.
PLoss = EPLoss/(t1-t0)
Un modelo más realista sería suponer que PLoss varia con el tiempo ( PLoss(t) ) y sigue un comportamiento exponencial. Esto sería lo mismo que asumir que la temperatura ambiente es constante en un sistema real:. PLoss(t) = EXPONENCIAL(t, EPLoss, t1 ,t0)
Un modelo más preciso también tomaría la temperatura ambiente como una entrada al modelo PLoss, que varía con el tiempo (PLoss(t)). Las pérdidas térmicas reales deben ser proporcionales a la diferencia de temperatura en el interior del cilindro de agua caliente y la temperatura ambiente (Tavg-TAmbient). Si el tanque comienza el período en un estado de energía máxima, se conoce Tavg porque es igual a Tmax, la temperatura máxima de calentamiento. Esta información se puede utilizar para entrenar ajustar coeficientes de pérdida del modelo. PLoss(t) = FUNCION(t, Tavg, TAmbient, t1 , tO, EPLoss)
Modelado de consumo de energía de agua caliente (Euse)
La temperatura de la tubería alcanzará un estado estable cerca de la temperatura ambiente cuando no se consuma agua caliente.
Cuando se produce el consumo de agua caliente, la temperatura de la tubería de salida (donde se mide Thot) cambiará siguiendo una curva exponencial hacia la temperatura del agua del interior del cilindro (t1). Justo en este momento comienza la demanda de agua caliente (tO). La velocidad del cambio de temperatura de la tubería permite estimar la cantidad de masa de agua que se está demandando (Q). t0: momento en que Thot empieza a ser mayor que TAmbient. Inicio de transitorio. t1 : momento en que termina el transitorio de Thot, igualándose con la temperatura del agua del interior del cilindro. Final de transitorio.
Q: caudal de agua demandado.
Q = FUNCION(t1 , tO);
Otro transitorio tiene lugar cuando se detiene el consumo de agua, pero en este escenario, el transitorio se dirige hacia TAmbient. Justo en ese momento termina la demanda de agua caliente (t2).
- Regresión lineal entre la energía de uso y las temperaturas junto con la duración de la demanda de agua:
Euse = A * FUNCION(t1 , t2, Thot) + B En este caso el caudal viene implícito en A y B.
- Regresión lineal entre la energía de uso y las temperaturas junto con la duración de la demanda de agua y su caudal.
Euse = A * FUNCION(Q, t1 , t2, Thot ) + B
- Modelos basados en el aprendizaje por refuerzo, como las redes neuronales u otros Euse = REDNEURONAL(Q, t1 , t2, Thot )
Para el ajuste de los parámetros A, B y de la red neuronal, se utiliza un ensayo pProcedente de un estado de energía máxima., Si en ese momento se produce una demanda de agua caliente, la energía necesaria para si un usuario realiza una extracción de agua caliente, calentar el aguacilindro hasta elal estado de energía máxima, coincide con la cantidad de energía usada y las perdidas producidas. Euse = EPheating - EPLoss
Estimación de la capacidad total del tanque (m)
Después de que un usuario consume toda el agua caliente en el cilindro y se alcanza un estado de energía mínimo, si se calienta el contenido del tanque hasta alcanzar un estado de energía máximo, dado que podemos medir la energía introducida en el sistema a través del monitoreo del consumo eléctrico, se puede estimar la cantidad total de agua del cilindro y, por lo tanto, la capacidad de almacenamiento de energía.
E(Min) + EPHeating = EtMax
EPHeating = EMax - EMin = m C (TMax-TMin) siendo TMin la temperatura media de Tcold durante el proceso.
En la ecuación anterior a la energía de calentamiento, se conoce la capacidad calorífica específica del agua (C) y el aumento de temperatura (TMax-TMin), lo que nos permite deducir la masa (m) total de agua en el tanque. Esta masa total (m) también puede ser una aportación del usuario porque los cilindros de agua se caracterizan comúnmente por su capacidad en litros.
Estimación de la energía en tiempo real almacenada (E)
La energía almacenada en tiempo real, se calcula como la energía que había en el instante anterior, restando la energía usada de agua caliente y las perdidas E(t) = E(t-1) - EPIoss+EPheating-Euse
Predicción del consumo de agua
El consumo de agua y los modelos de comportamiento del usuario pueden ser utilizados para estimar las futuras extracciones de energía a través del consumo de agua caliente.
Se pueden aplicar modelos tan simples como la predicción probabilística entre extracciones. Otras opciones incluyen los modelos ARMA o GARCH o redes neuronales adaptativas. Los modelos de aprendizaje por refuerzo también pueden realizar esta tarea, pero por lo general, la predicción del consumo de agua está muy relacionada con las duraciones de extracción. Por ejemplo, existen rutinas que requieren el consumo de agua caliente que se pueden caracterizar, por esta razón, la duración de la extracción y el tiempo entre extracciones están muy relacionados. En este caso, la predicción de ambos parámetros juntos puede conducir a mejores resultados al predecir el comportamiento del usuario.
La predicción de ambos parámetros permite optimizar el calentamiento del agua en función de diferentes objetivos que podrían incluir la maximización de la eficiencia, la reducción de costos o incluso la estabilidad del sistema eléctrico.

Claims

REIVINDICACIONES
1 Sistema controlador de cilindros de agua caliente que se caracteriza porque comprende: un controlador del cilindro de agua (100) dispuesto sobre una carcasa con un panel frontal donde se disponen los elementos que permiten controlar el sistema, donde el panel frontal incorpora un botón de modo (1 ) que permite cambiar el modo de operación; un indicador de operación (2) que refleja el modo de operación actual y el estado del interruptor de carga; un botón de aumentar (boost) (3) que habilita la carga de refuerzo; un botón de borrado (reset) (4) que restablece el controlador; un indicador de comunicaciones (5) que muestra el estado de conectividad; un botón de configuración (6) que permite configurar las comunicaciones usando las contraseñas de conexión; un sensor de luz (7) que mide la intensidad de la luz ambiental; un sensor de temperatura (8) que mide la temperatura ambiente; un fusible de carga base (9) que protege el circuito contra sobrecargas; un fusible de carga de refuerzo (10) que protege el circuito de refuerzo contra sobrecargas; un interruptor principal (11) que aísla las cargas en la posición de apagado y permite que el controlador (100) controle las cargas en la posición de encendido; y un conector de antena de comunicaciones (12); dos cables termopares (300), donde el extremo de un primer cable termopar (300) se encuentra dispuestos a la entrada de agua fría del cilindro de agua caliente y el extremo del segundo cable termopar (300) se dispone a la salida de agua caliente (300) y donde los extremos libres de ambos cables termopares (300) son dirigidos y conectados al controlador (100); y una antena (200) acoplada al conector de antena comunicaciones (12) para la conexión del controlador (100) con otro servidor o con la nube donde se procesa la información.
2.- Sistema controlador de cilindros de agua caliente según la reivindicación 1 que se caracteriza porque el botón de modo (1 ) opera bajo las siguientes modalidades de controlador el agua caliente: modo apagado, modo manual y modo automático.
3.- Sistema controlador de cilindros de agua caliente según la reivindicación 2 que se caracteriza porque en modo apagado el sistema no calienta el contenido del cilindro de agua caliente.
4.- Sistema controlador de cilindros de agua caliente según la reivindicación 2 que se caracteriza porque en modo manual el sistema calienta el contenido del cilindro bajo los períodos de tiempo seleccionados por el usuario y recopila datos sobre el uso y las temperaturas y son enviados al servidor o la nube para modelar el comportamiento del usuario y el cilindro de agua caliente
5.- Sistema controlador de cilindros de agua caliente según la reivindicación 2 que se caracteriza porque en modo automático el sistema recopila datos y modela el comportamiento del usuario y el cilindro de agua caliente y se comunica con un servidor o la nube para planificar los períodos de calentamiento y optimizar varios comportamientos objetivo considerando la comodidad del usuario.
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