ES2280251T3 - Sistema de almacenaje termico. - Google Patents

Abstract

Un sistema para la alteración de la temperatura de un medio de almacenamiento de calor (3), incluyendo una superficie de recogida y/o emisión de calor (1), un material aislante (2) que se extiende al lado de la superficie de recogida y/o emisión de calor (1), y un medio de almacenamiento de calor (3) dispuesto debajo del material aislante (2) y en comunicación térmica con la superficie de recogida y/o emisión de calor (1), incluyendo el sistema un sensor (18) situado en la superficie de recogida y/o emisión de calor (1) para detectar una condición atmosférica, un mecanismo de transferencia de calor controlable (16) que acopla el medio de almacenamiento de calor (3) y la superficie de recogida y/o emisión de calor (1), y medios de control acoplados al sensor (18) para accionar el mecanismo de transferencia de calor controlable (16).

Description

Sistema de almacenaje térmico.

La presente invención se refiere a un sistema para absorber, almacenar y dispensar calor.

Realizaciones preferidas de la presente invención son especialmente útiles para reducir la cantidad de hielo y nieve en superficies de transporte, mediante el aprovechamiento, almacenamiento y canalización de energía solar.

Las naciones expuestas a condiciones climáticas estacionales que incluyen períodos en los que la tierra está cubierta de nieve y congelada, tienen que gastar grandes cantidades de dinero cada año para mantener operativa su infraestructura de transporte durante la estación fría. Finlandia, por ejemplo, gastó algo menos de £6000 por km (aproximadamente \textdollar14.500 por milla) en el mantenimiento de invierno de su red de carreteras en 1994.

Este desembolso es un costo permanente adicional de la infraestructura que naturalmente tales naciones desean minimizar. Estos costos consisten en el desembolso directo de capital, en forma de compra, equipamiento, dotación de personal y mantenimiento una flota de vehículos para combatir la nieve y el hielo. Los costos suministro de grava, sal y otros materiales de mantenimiento también son un gasto anual.

Además, hay costos secundarios que aumentan como resultado directo de las actividades de control de la nieve y del hielo. Estos incluyen mayor desgaste y grietas en las superficies de la calzada, que dan lugar a reparación y renovación más frecuentes. La capa freática también queda afectada, al estar sometida a contaminación por sal y otras sustancias químicas usadas en la superficie.

Los costos humanos de las condiciones adversas de la calzada también son significativos; mayores tasas de accidentes, muertes y lesiones. A esto se une el daño a la propiedad y los vehículos, y los costos resultantes de desembolso y seguro, hospitalización, y pérdida de tiempo de trabajo, que implican sufrimiento y gasto.

US-A-4.305.681 describe un método para controlar la temperatura de masas de asfalto y hormigón tal como pistas. La tierra debajo de la pista se usa como un depósito de calor, y el calor es transferido entre la tierra y la pista mediante líquido que corre en canales oblicuos perforados en la tierra debajo de la pista.

El método de US-A-4.305.681 guarda el calor a profundidad debajo de la pista en la tierra debajo de la pista y requiere la perforación de canales oblicuos así como el uso de una serie compleja de válvulas y bombas para transferir calor a y de los depósitos. Por lo tanto, el método de US-A-4.305.681 es caro de implementar, difícil de controlar y propenso al fallo.

DE 34 07 927 describe un depósito de calor para uso en una carretera. El depósito de calor está en comunicación con una superficie superyacente de recogida de calor. No se dispone ningún aislamiento encima del depósito de calor y por ello el calor no es retenido eficientemente.

DE 34 07 927 describe un dispositivo para calentar y/o enfriar una capa hecha, en particular, de materiales bituminosos incluyendo una superficie de recogida y/o emisión de calor y un medio de almacenamiento de calor en comunicación térmica con la disposición de superficies de recogida y emisión de calor incluyendo un sensor situado en la superficie de recogida y/o emisión de calor para detectar una condición atmosférica, un mecanismo de transferencia de calor controlable que acopla el medio de almacenamiento de calor y la superficie de recogida y/o emisión de calor, y medios de control acoplados al sensor para accionar el mecanismo de transferencia de calor controlable.

La invención en los varios aspectos se define en las reivindicaciones independientes 1, 8 y 10 a las que se deberá hacer referencia ahora. Se exponen características preferidas de la invención en las reivindicaciones dependientes.

Los autores de la presente invención han observado que es posible crear de forma relativamente fácil y barata un depósito de calor para una ruta de transporte almacenando calor a poca profundidad cerca de la ruta de transporte debajo de una capa de material aislante dispuesta al lado de la ruta de transporte. Los inventores fueron los primeros en darse cuenta de que no es necesario almacenar calor a gran profundidad o tener complicados mecanismos de transferencia de calor si se usa la tierra al lado de la ruta de transporte como un depósito de calor y éste se aísla de la atmósfera.

En una realización posible de la invención, la tierra debajo de la ruta de transporte así como la de al lado de se usa como un depósito de calor. El aprovechamiento y almacenamiento de energía solar tiene lugar naturalmente como resultado del proceso físico normal de transferencia de calor.

La presente invención mejora el aprovechamiento natural de la energía solar introduciendo una capa de aislamiento 2 en una superficie adyacente a una calzada 1 (figura 1), evitando por ello que la energía calorífica escape a los lados, y enfocando la pérdida de calor por conducción del depósito de calor formado por la tierra a través de la superficie de la calzada. Esto maximiza la temperatura superficial de la calzada durante los períodos fríos, reduciendo por ello la probabilidad de acumulación de nieve y congelación que tienen lugar en la superficie de la calzada.

La radiación solar entrante es recogida en la superficie de una calzada, por ejemplo la superficie de una carretera. Superficies tal como las de tarmacadam son relativamente buenos conductores, y ya funcionan bien como colectores de energía solar. Esta energía es almacenada en la tierra debajo del aislamiento, usando la capacidad térmica existente de la tierra o roca, que es relativamente alta. La energía, en forma de calor, es transferida a la tierra o depósito desde la superficie durante la estación de verano (caliente), y después vuelve a la superficie durante la estación invernal (fría). Estas transferencias son el resultado de efectos térmicos descritos por las leyes de la termodinámica.

La invención aprovecha estos efectos colocando una capa de aislamiento junto a la calzada, evitando por ello la pérdida de calor de estas zonas. La energía calorífica almacenada es conducida a la superficie y a continuación irradiada de la superficie de la calzada, lo que reduce la cantidad de hielo y nieve que se acumulan en esta superficie. Esta concentración de energía calorífica en las zonas críticas de la calzada a través de la posición de la capa aislante maximiza, por lo tanto, los beneficios del control de la nieve y el hielo en la calzada.

La extensión y naturaleza exactas de la capa de aislamiento serán localmente específicas, dependiendo de las condiciones climáticas particulares pertinentes, y los materiales más apropiados disponibles.

Las realizaciones de la invención ayudan a mejorar la condición de la calzada durante la estación fría, sin daño del entorno o la necesidad de gasto constante. Esto ofrece claramente beneficios significativos.

La invención incluye un sensor situado en la superficie de recogida y/o emisión de calor para detectar una condición atmosférica, un mecanismo de transferencia de calor controlable que acopla el medio de almacenamiento de calor y la superficie de recogida y/o emisión de calor, y medios de control acoplados al sensor para activar el mecanismo de transferencia de calor controlable. Esta disposición permite optimizar o mejorar el proceso de transferencia de calor reduciendo por ello el desperdicio de calor y contribuyendo a asegurar que se suministre calor a la ruta de transporte cuando sea muy preciso.

La invención realiza la recogida, transferencia y almacenamiento de calor.

Recogida de calor: usando la emisividad existente o mejorada de la superficie de recogida y emisión de calor, la invención recoge, es decir, la energía solar entrante.

Transferencia de calor: la energía calorífica derivada del calor recogido es transferida a la posición apropiada en el tiempo apropiado por conducción a través del material debajo y adyacente a la superficie de recogida y emisión de calor. Esto se puede mejorar, en una realización preferida de la invención, por la instalación de una serie regular de estaciones de bombeo que hacen circular líquido a través de la superficie de recogida de calor cuando la temperatura de la superficie de recogida y emisión de calor excede de la temperatura del depósito de calor. La disposición de estas tuberías cruza la superficie de recogida de calor y los depósitos de calor.

Las tuberías aumentan la eficiencia de la recogida de calor y la eficiencia de la transferencia de calor a y del depósito o depósitos de calor. En tiempos de potenciales heladas y/o acumulación de nieve, el líquido en las tuberías transferirá calor del depósito de calor de nuevo a la superficie de recogida y emisión de calor. La superficie funciona entonces como un emisor de calor con el fin de mantener una temperatura positiva en la superficie.

Almacenamiento de calor: aislando la tierra junto a la superficie de recogida y emisión de calor, se puede crear un depósito de calor inter-estacional en la zona cerca de la superficie. La profundidad del depósito efectivo de calor variará según las características físicas de la tierra local, pero puede ser, típicamente, de alrededor de seis metros.

Realizaciones preferidas de la invención se describirá ahora con referencia a las figuras adjuntas en las que:

Las figuras 1a y 1b son ilustraciones esquemáticas de flujos de calor en verano e invierno, respectivamente, en una realización preferida de la invención.

La figura 2 ilustra una realización de la presente invención remodelada a una calzada existente.

Las figuras 3a y 3b ilustran la realización de la figura 2 con más detalle.

La figura 4 ilustra una segunda realización de la presente invención.

Las figuras 5a y 5b ilustran una tercera realización de la presente invención.

La figura 6 ilustra un programa convencional de mantenimiento de la calzada.

Y la figura 7 es una vista esquemática en planta superior de una realización de la invención que incorpora un mecanismo de transferencia de calor para transferir calor de un cuerpo debajo de la tierra.

Las figuras 8a y 8b son vistas esquemáticas en sección y en planta superior de una realización de la invención que incorpora un mecanismo de transferencia de calor para incrementar la eficiencia de la transferencia de calor entre una ruta de transporte y la tierra.

Las figuras 9a, 9b y 9c son vistas esquemáticas, respectivamente, de una sección transversal, una vista en planta superior y una sección longitudinal a lo largo de una realización alternativa de la invención.

Las figuras 10 y 11 ilustran sistemas alternativos de transferencia de calor para uso con realizaciones de la presente invención.

Con referencia a la figura 1, el aislamiento 2 se coloca en la tierra 3 al lado de una calzada o ruta de transporte 1. La tierra puede actuar entonces como un depósito de calor. Las flechas de las figuras 1a y 1b muestran la dirección del flujo de calor en los períodos medioambientales o atmosféricos caliente y frío, respectivamente. Dado que la energía calorífica es conducida típicamente a través de tierra a aproximadamente 1 metro por mes, la tierra 3 adyacente a la superficie de recogida y emisión de calor formada por la calzada estará recibiendo energía calorífica durante parte del ciclo anual, y desprendiéndola durante el resto. Este ciclo anual es la característica básica que dicta la configuración de la relación de almacenamiento de calor a colector de calor entre la tierra 3 y la calzada o ruta de transporte 1. En esta aplicación las expresiones calzada o ruta de transporte significan cualquier ruta por la que esté previsto que pasen personas o vehículos. Por lo tanto, las expresiones calzada o ruta de transporte abarcan caminos, aceras, carreteras, pistas y vías de ferrocarril.

La colocación del aislamiento 2 está diseñada para maximizar el potencial de la zona de almacenamiento a cada lado así como debajo de la superficie colectora formada por la ruta de transporte.

El aislamiento se coloca en o cerca de la superficie de los arcenes o zonas al lado de la carretera o calzada.

Las realizaciones de la invención pretenden maximizar más bien que anular la energía calorífica que puede ser tomada de la tierra adyacente a la superficie de la ruta de transporte. Los inventores han apreciado que la configuración natural anual del flujo de calor debajo y a los lados de la superficie de una ruta de transporte describe un ciclo que es deseable: "recoger" calor durante el período de abundancia (verano) y hacerlo volver a la superficie de la ruta de transporte durante el período "deficitario" (invierno).

Las realizaciones de la invención enfocan la pérdida de calor en los períodos fríos a la superficie de la carretera o ruta de transporte 1 con el fin de mantenerla libre de nieve y hielo; esta pérdida de calor a la superficie es integral al funcionamiento de la invención.

El aislamiento superficial 2 da lugar a la creación de un depósito de calor de la tierra 3 debajo del aislamiento. El tamaño óptimo de la zona aislada es proporcional a la zona del colector (es decir, la ruta de transporte o calzada) y deberá ser igual o mayor que la zona colectora. Para una carretera típica es deseable, por lo tanto, una capa de aislamiento de dos a ocho metros de extensión en cada lado de la calzada. Para una ruta de transporte más grande, tal como una pista, el aislamiento se extendería sobre una zona mayor; tal vez hasta 20 metros a cada lado de la pista.

Seis metros de tierra crean típicamente un retardo de tiempo en el flujo de calor de alrededor de seis meses, lo que significa que se crea un sistema estacional que se adapta a las estaciones meteorológicas con tal anchura de tierra cubierta a cada lado de la ruta de transporte 1 por material aislante 2. La provisión de un metro adicional (siete más bien que seis) de aislamiento a cada lado contribuirá a asegurar que se reduzcan las pérdidas de calor a la superficie en el borde del depósito de calor de la tierra. Esto puede mejorar de forma significativa la eficiencia del sistema.

La cantidad exacta de material de aislamiento requerido dependerá de las propiedades térmicas de la tierra en una posición particular y la duración de los períodos de frío y calor a los que la carretera estará sometida. El aislamiento deberá ser suficientemente ancho para definir un depósito de calor capaz de almacenar suficiente calor que dure todo el período frío y capaz de calentarse durante el período de calor. La tasa de conducción a través de la tierra debajo de la superficie es típicamente aproximadamente un metro por mes. En tales condiciones, un aislamiento de seis metros de ancho crearía un depósito de calor que se calentaría durante un período de calor de seis meses y se enfriaría y por ello dispensaría calor en un período frío de seis meses.

Durante el período de "abundancia" de calor (para facilitar la referencia lo denominaremos "verano" en esta solicitud de patente) el calor se transfiere a la tierra inmediatamente adyacente a la superficie, y durante el período "deficitario" (invierno) el calor vuelve a la superficie. La colocación del aislamiento está diseñada para dirigir y enfocar esta transferencia; en el período de "abundancia" la energía es transferida desde el colector formado por la superficie 1 al depósito, y en el período "deficitario" el calor almacenado es conducido de nuevo a la superficie, pero solamente a través de la zona de la ruta de transporte.

La invención está diseñada de modo que sea aplicable a la reconversión y nueva construcción de calzadas. Es apropiada para muchas situaciones de la infraestructura de transporte, incluyendo carreteras, ferrocarriles y pistas de aeropuerto. También es apropiada para carriles de bicicletas y peatonales. La configuración y extensión exactas de la aplicación variarán en diferentes aplicaciones y posiciones. La cantidad y el grosor de la cubierta aislante 2 dependerán de las variables siguientes:

1)

la cantidad de radiación solar entrante;

2)

otros factores climáticos locales como las velocidades de viento y la temperatura del aire;

3)

las características de transmitancia de la superficie de recogida de la ruta de transporte; y

4)

la disponibilidad específica local de materiales aislantes.

Las dimensiones y características del material aislante 2 se seleccionan usando el paso de análisis siguiente:

1.

Identificar, a partir de datos meteorológicos adecuados, la cantidad de energía solar que cae en la tierra en un año típico en la posición elegida.

2.

Investigar el efecto de la sombra local, la temperatura del aire, el viento y la precipitación en la posición elegida para implementar el sistema.

3.

Aplicar factores adecuados para reducir la energía disponible para almacenamiento como resultado de lo anterior.

4.

Calcular la energía total necesaria para derretir la nieve y el hielo que se formaría normalmente en la superficie de nuevo a partir del conocimiento de los datos meteorológicos relativos al lugar y el calor de evaporación de agua.

5.

Calcular el flujo de energía necesario para mantener el tamaño elegido de la superficie a mantener libre de nieve y hielo y por encima del punto de congelación en la superficie en las condiciones de diseño.

6.

La tasa de flujo de calor de la superficie requerida será la suma de las pérdidas de calor, por radiación, conducción, convección y cambio de estado para la tasa de precipitación de diseño.

7.

Multiplicar la tasa por el tiempo requerido.

8.

Comparar el calor total disponible con necesidades de calor totales y derivar la "eficiencia de almacenamiento" requerida.

9.

Un depósito eficiente debe minimizar la pérdida de calor por todas las vías de modo que la capa de aislamiento también debe evitar la filtración de lluvia.

10.

La eficiencia del aislamiento superficial en vatios/metro^{2} debe ser, como mínimo, capaz de mantener el depósito a la temperatura media anual del lugar para asegurar que se eliminen las pérdidas de calor hacia abajo. Esta temperatura se logra generalmente a una profundidad de aproximadamente 6 m de tierra de modo que, según una primera aproximación, deberá ser equivalente a esta profundidad de tierra.

En la figura 2 se representa una realización de la invención aplicada como una reconversión a una calzada de carretera existente:

La capa aislante 2 suministrada en este caso es una forma modular de fácil transporte y manejo. Las cajas 4 (véase la figura 3) se construyen de un material resistente y barato (por ejemplo, cartón comprimido o madera) que se degradará eventualmente en la tierra. Las cajas tendrán generalmente salientes de colocación 5, parecidos a clavijas, en las esquinas, para asegurar su estabilidad en superficies inclinadas. Están diseñadas para permitir el fácil apilamiento para ser transportadas al lugar. Estas cajas contienen material aislante 6 en el grosor apropiado, que se mantiene en bolsas de malla. Las cajas tienen una profundidad suficiente para contener el aislamiento y permitir un grosor apropiado de una superficie o medio de cobertura 7, (por ejemplo, tierra con semillas de hierba).

Se puede ver que esta manifestación de la invención permite una aplicación muy rápida y eficiente; la capa de aislamiento se puede aplicar a la superficie existente con mínima preparación, y los elementos como árboles se pueden tener en cuenta fácilmente. Se contempla que ésta será una configuración común para reconversión en calzadas existentes dado que los arcenes de hierba son universalmente la condición más común del borde.

En la segunda realización (véase la figura 4) se contempla que a veces puede ser más fácil colocar la capa aislante 2 en forma de tira o rollo como parte de la formación del arcén. En este caso la capa aislante se coloca debajo del arcén.

Las figuras 5a y 5b muestran una tercera realización de la invención. La capa aislante se hace de varios elementos aislantes 10, descansando un primer extremo en la tierra, y descansando el otro en un soporte plegable o extensible 11 que tiene su extremo inferior descansando en otro elemento aislante 10. El soporte plegable o extensible 11 permite colocar el elemento aislante en una configuración abierta (figura 5b) o cerrada (figura 5a).

Con los soportes extendidos, la capa aislante tiene intervalos a través de los que la energía solar puede ser irradiada a la superficie de tierra 12 durante un período de calor. Con el soporte plegado, la capa aislante no tiene intervalos y por lo tanto se maximizan sus propiedades de aislamiento. Por lo tanto, en esta realización, la cantidad de energía solar disponible para el depósito de calor se puede incrementar mediante la recogida a través de la capa aislante durante períodos calurosos o templados.

En las tres realizaciones de las figuras 3 a 5, la instalación se caracteriza por:

a)

fácil aplicación que implica un pequeño alejamiento de los métodos o materiales existentes; y

b)

un pequeño gasto en costos de material, que implica la especificación del material aislante apropiado más barato.

Los beneficios medioambientales de las realizaciones de las figuras 3 a 5 incluyen:

a)

reducida dependencia de la sal y otros tratamientos químicos superficiales que dan lugar al menos a daño de la capa freática; y

b)

reducida demanda de vehículos para el control de la nieve y el hielo, lo que da lugar a menores costos por desembolso de capital, mantenimiento, carburante y suministro de materiales.

La reducción del desgaste y de las grietas en las superficies de la calzada también darán lugar a reparación y renovación menos frecuentes. Por lo tanto, habrá beneficios significativos para el entorno local, y reducido consumo de carburante con su liberación concomitante de contaminantes.

Se ha de notar en especial que todas las naciones que tienen que mantener un programa de control de la nieve y el hielo consideran el mantenimiento de las calzadas en relación a la prioridad del transporte. La invención supondrá un gran beneficio para las calzadas más pequeñas y más secundarias que actualmente pueden recibir mínimo control de la nieve y el hielo (véase la figura 6 que representa el vertido convencional de sal, extender grava, quitar la nieve, etc) haciendo por ello que tales calzadas sean capaces de recibir una cantidad significativamente mayor de tráfico y más seguras. En casos donde las calzadas reciben virtualmente un control nulo o mínimo de la nieve y el hielo (en particular en las zonas más rurales), los beneficios para la comunidad local serían signi-
ficativos.

En algunos lugares el rendimiento de la invención se puede mejorar incrementando la cantidad de energía recogida y almacenada por la invención y/o incrementando la eficiencia de la transferencia de calor entre la superficie de la ruta de transporte y el depósito de calor. Se pueden emplear los métodos siguientes:

La recogida de calor, en la superficie de la carretera, de la radiación solar entrante se puede mejorar mediante el uso de tratamiento superficial del tarmac para mejorar emisividad.

Alternativamente, o además, se utilizarían agujeros 15 para acceder a una masa de agua a la temperatura media anual en esa latitud. La figura 7 es una vista esquemática en planta superior de una ruta de transporte 1 con aislamiento 2 al lado y un mecanismo para suplementar el calor almacenado en la roca o suelo con el calor transferido de una masa subterránea de agua.

Los agujeros 15 se practican a intervalos a lo largo de la calzada 1, y se hace circular líquido en un sistema de tuberías 16 situado debajo de la superficie de la ruta de transporte y el aislamiento. El líquido circulante vuelve a los agujeros 15. El agua circulante se usa para incrementar el efecto del calor recogido por la ruta de transporte o la superficie de la carretera 1 y almacenado en la tierra debajo del aislamiento 2.

El mecanismo de transferencia de calor de la figura 7 puede ser usado para suministrar calor desde una fuente de calor subterránea tal como un acuífero u otra fuente de calor subterránea, (por ejemplo fuente de calor geotermal) o para transferir calor entre la superficie de la ruta y una masa subterránea de agua en ambas direcciones (a y del acuífero o masa de agua).

Es posible que en algunas situaciones la energía solar en verano tenga que ser distribuida al depósito de calor en mayores cantidades y/o más rápidamente de lo que es posible por conducción a través de la roca o suelo en el que se construye la ruta y se coloca el material aislante 2. La técnica propuesta es usar conducción directa a través de la sub-superficie de la ruta al depósito de calor, usando un sistema de estaciones de bombeo regulares 17 que hacen circular líquido a través de la ruta 1 cuando la temperatura excede de la temperatura en el depósito de calor (véanse las figuras 8a y 8b).

La disposición de las tuberías 16 cruza la calzada al depósito de calor. Durante los períodos en que es posible que se recoja nieve o forme hielo en la superficie de la carretera, el sistema circulante se usará para transferir calor del depósito de calor a la superficie de la calzada con el fin de mantener una temperatura superficial positiva. Como en la realización de la figura 7, el sistema de circulación de las figuras 8a y 8b sirve para incrementar y/o mejorar la recogida, el almacenamiento y la dispensación de la energía del sol.

La tubería 16 se coloca en bucles a lo largo de la carretera. Esto permite que el calor se recoja y disperse en una zona grande igualando las variaciones de temperatura resultantes de sombreado local y otras condiciones medioambien-
tales.

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En otra realización alternativa (véanse las figuras 9a a 9c), el material aislante 20 se extiende debajo de y al lado de la calzada 1.

Una red de tuberías 26 está configurada en dos capas. Una capa superficial o red colectora/emisora 27 tiene la finalidad de controlar la emisión y recogida de calor a través de la superficie de la carretera, y una capa inferior o de almacenamiento 28 es una capa de control del depósito de calor.

La tubería en la superficie superior de la carretera 1 se extiende en bucles longitudinales que se extienden a través de toda la anchura. Las tuberías de la capa superficial están unidas a un colector 29. Una bomba 17, accionada preferiblemente por colectores fotovoltaicos 18 en verano, une esta capa 27 a otra serie similar de tuberías que forman la serie de almacenamiento 28 a una profundidad de entre 1 y 3 metros. Se usan válvulas de tres vías motorizadas 30 para controlar el flujo de fluido (o el medio de transporte de calor) a través y alrededor del sistema.

Cuando el sol cae sobre la superficie de la carretera y su temperatura se eleva por encima de la temperatura de la tierra en el nivel inferior, la bomba 17 es activada y transfiere calor de la capa superficial 27 a la capa inferior de almacenamiento 28. Esto se repite en todas las ocasiones en que se cumple esta condición.

La capa de aislamiento 20 se coloca debajo de la capa superior 27 de la tubería y se extiende por toda la anchura de la superficie de la carretera y más allá hasta típicamente entre 2 y 8 metros dependiendo del tamaño del depósito requerido. El aislamiento se coloca debajo de los arcenes a una profundidad suficiente para poder construir el arcén apropiado.

Con ello se optimizan las fluctuaciones interanuales de la temperatura de la tierra en profundidad para que la energía calorífica pueda estar disponible para el control de la nieve y el hielo en la superficie.

La recogida de calor y el bombeo tendrían lugar siempre que la temperatura superficial de la ruta exceda de la temperatura del depósito de calor. Cuando no se supera esta temperatura, la capa de almacenamiento o inferior de tuberías se extendería solamente con el fin de igualar las variaciones de temperatura en la tierra o depósito de calor.

La operación del bucle superficial en invierno se limitará a las situaciones en las que la temperatura superficial de la ruta sea inferior a cero y la temperatura de bulbo húmedo (temperatura por un termómetro saturado) indique que esté teniendo lugar precipitación o formación de hielo.

La capa de aislamiento 20 dentro de la tierra se usa para controlar la dirección y tasa de flujo de calor con el fin de optimizar la posición y disponibilidad de la zona de máxima temperatura durante las meses de invierno.

Los sistemas de las figuras 8a, 8b y 9a a 9c incluyen una serie fotovoltaica, batería y sensor 18 para control la temperatura de la calzada o colector con el fin de evitar la formación de hielo y nieve.

La instalación de los sistemas de circulación por tuberías se puede realizar al tiempo de la construcción, o como remodelación de calzadas existentes. La colocación de las tuberías justo debajo de la superficie haría este sistema especialmente apropiado para remodelación de calzadas al rehacer el firme (véase la figura 10) o como una adición a las líneas de ferrocarril existentes 31 (véase la figura 11).

Las realizaciones preferidas de la invención incluyen la capacidad de controlar la transferencia de calor en las realizaciones de las figuras 7 a 11 que incluyen mecanismos de transferencia de calor. Se utilizan sensores que dan información acerca de las temperaturas en el sistema y en el entorno externo para predecir las tasas óptimas de transferencia de calor a y del depósito de calor o la tierra, y los períodos óptimos de transferencia.

La activación de bombeo o de otros sistemas para dirigir la transferencia de calor se basa en estos datos derivados de sensor. Usando un modelo del comportamiento de la ruta de transporte y tierra durante diferentes condiciones medioambientales, el sistema puede ser actualizado y optimizado constantemente. Esto permite, por ejemplo, la minimización de la planta para transferencia de calor, y la minimización de la energía usada para la operación de esta planta, asegurando la eficiencia.

En las calzadas tal control tiene ventajas especiales. Actualmente la predicción de las actividades de control óptimo de la nieve y el hielo (por ejemplo, al enviar máquinas de extender grava y quitanieves) es un problema altamente complejo, y hay un desperdicio inevitable de recursos y tiempo cuando las configuraciones de la intemperie no se adaptan a las predicciones. En esta invención, el control por sensor permite la activación a demanda, reduciendo por ello el problema de tener que predecir las condiciones de intemperie. Todas las calzadas a las que se ha aplicado la invención pueden ser activadas independientemente según sea preciso. Esto evita las dificultades corrientes que tiene el personal de mantenimiento al priorizar las rutas a despejar en condiciones severas: en teoría todas las rutas que incluyan la invención pueden ser despejadas simultáneamente.

El sistema de control utiliza la capacidad predictiva del sistema de modelado modificado por las temperaturas medidas en la estación de control.

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La disposición básica del colector y del aislamiento, con mejores dispositivos donde sea necesario, tiene otras aplicaciones potenciales. En particular, esta disposición sería adecuada para proporcionar un "terreno caliente" básico en climas fríos en el que construir edificios. Sobre todo, la tierra de una zona urbana sería tratada como un bloque térmico, y las superficies colectoras serían la calzada como se ha descrito anteriormente, o los edificios propiamente dichos. En el caso de que se utilizasen los edificios, el sistema de tubos descrito en las figuras 2, 8a y 8b se colocaría en las superficies de recogida, tal como el techo o las paredes apropiadas de un edificio.

Claims (15)

1. Un sistema para la alteración de la temperatura de un medio de almacenamiento de calor (3), incluyendo una superficie de recogida y/o emisión de calor (1), un material aislante (2) que se extiende al lado de la superficie de recogida y/o emisión de calor (1), y un medio de almacenamiento de calor (3) dispuesto debajo del material aislante (2) y en comunicación térmica con la superficie de recogida y/o emisión de calor (1), incluyendo el sistema un sensor (18) situado en la superficie de recogida y/o emisión de calor (1) para detectar una condición atmosférica, un mecanismo de transferencia de calor controlable (16) que acopla el medio de almacenamiento de calor (3) y la superficie de recogida y/o emisión de calor (1), y medios de control acoplados al sensor (18) para accionar el mecanismo de transferencia de calor controlable (16).

2. Un sistema según la reivindicación 1, donde el material aislante (2) se extiende al lado de y debajo de la superficie de recogida y/o emisión de calor (1).

3. Un sistema según la reivindicación 1 o la reivindicación 2, donde la superficie de recogida y/o emisión de calor (1) es una ruta de transporte tal como un camino, carretera, vía de ferrocarril o pista.

4. Un sistema según la reivindicación 1 o la reivindicación 2, donde la superficie de recogida y/o emisión de calor (1) es una superficie en un edificio o estructura.

5. Un sistema según cualquier reivindicación precedente, donde el medio de almacenamiento de calor (3) es suelo y/o roca.

6. Un sistema según la reivindicación 1, donde el sensor (18) es un sensor de temperatura, viento, precipitación o humedad.

7. Un sistema según la reivindicación 1 o la reivindicación 6, donde el mecanismo de transferencia de calor controlable (16) es una red de tuberías conteniendo un medio de transferencia de calor y situada debajo de la superficie de recogida y/o emisión de calor (1) y material de aislamiento (2).

8. Una ruta de transporte incluyendo una calzada (1) que tiene una superficie emisora de calor en comunicación térmica con el suelo y/o roca (3) rodeando la calzada (1) y una capa de material aislante (2) dispuesta al lado de la calzada (1) y sobre el suelo y/o roca (3) por lo que se reduce la pérdida de calor directamente a la atmósfera del suelo y/o roca (3) que rodea la calzada (1), incluyendo la ruta de transporte un sensor (18) situado en la calzada (1) para detectar una condición atmosférica, un mecanismo de transferencia de calor controlable (16) que acopla la calzada (1) y el suelo y/o roca (3) que rodea la calzada (1), y un control acoplado al sensor (18) para accionar el mecanismo de transferencia de calor controlable (16).

9. Una ruta de transporte según la reivindicación 8, donde el material aislante (2) está dispuesto al lado de y debajo de la calzada.

10. Un método de hacer un sistema para alteración de la temperatura de un medio de almacenamiento de calor (3) incluyendo los pasos de proporcionar un medio de almacenamiento de calor (3), colocar una superficie de recogida y/o emisión de calor (1) en el medio de almacenamiento de calor (3), colocar material aislante (2) en el medio de almacenamiento de calor (3) al lado de la superficie de recogida y/o emisión de calor (1); y proporcionar un mecanismo de transferencia de calor controlable (16) que acopla el medio de almacenamiento de calor (3) y la superficie de recogida y/o emisión de calor (1) y situado debajo de la superficie de la superficie de recogida y/o emisión de calor (1) y el material aislante (2).

11. Un método según la reivindicación 10, donde el material aislante (2) se coloca al lado de y debajo de la superficie de recogida y/o emisión de calor (1).

12. Un método según la reivindicación 10 o la reivindicación 11, donde la superficie de recogida y/o emisión de calor (1) es la superficie de una ruta de transporte.

13. Un método según las reivindicaciones 10 a 12, donde el medio de almacenamiento de calor (3) es suelo y/o roca.

14. Un método según cualquiera de las reivindicaciones 10 a 13, donde el mecanismo de transferencia de calor controlable (16) es un tubo o conducto conteniendo un material fluido y que pasa por debajo de la superficie de recogida y/o emisión de calor (1) y el material aislante (2).

15. Un método según cualquiera de las reivindicaciones 10 a 14 incluyendo proporcionar un sensor (18) para detectar una condición atmosférica, controlando la salida del sensor el accionamiento del mecanismo de transferencia de calor controlable (16).