ES2609769T3 - Procedimiento para minimizar el consumo de energía de un calentador de agua de acumulación - Google Patents
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Abstract
Procedimiento para gestionar un calentador de agua de acumulación (1) en el que el agua de almacenamiento se calienta mediante un elemento calefactor (3) gobernado por un regulador (4) apto para regular la temperatura del agua (Tm) hasta una temperatura objetivo variable(Ttarget) y en el que dicho procedimiento comprende, - una primera etapa en la que se capta información - en relación con el perfil de extracción (P1, ..., Pk, ..., Pn) que se repite sustancialmente invariable durante los ciclos de extracción posteriores - y la velocidad de calentamiento (VTh) característica de dicho calentador de agua de acumulación (1) - una segunda etapa en la que, antes del instante (tk) de inicio de cada extracción (Pk) de todas las n extracciones (Pn) comprendidas en cada uno de dichos ciclos de extracción, - la temperatura del agua (Tm) se lleva a por lo menos el valor de la temperatura de extracción (Tset.k; T'set.i) suficiente para garantizar que dicha extracción a la temperatura de uso (Tu) inicie el calentamiento en un instante de inicio del calentamiento (tONk; t'ONi) - con la condición de que, en cualquier caso, dicha temperatura del agua (Tm) se mantenga inferior o igual a la temperatura de ajuste máxima (Tset.max), inferior a los valores peligrosos, - deduciéndose dicho valor de temperatura de extracción (Tset.k; T'set.i) y dicho instante de inicio del calentamiento (tONk; t'ONi) a partir de la información captada anteriormente caracterizado porque dicha captación de información sobre el perfil de extracción - tiene lugar por lo menos durante un ciclo de extracción para la captación - y consiste en calcular, para cada una de dichas n extracciones (Pk), - el instante de inicio de extracción (tk), - la temperatura de extracción (Tset.k) realizándose dicho cálculo únicamente mediante el procesamiento de los datos obtenidos a partir del análisis de la temperatura del agua (Tm) obtenida a partir de la media de una o más temperaturas (T; T1, T2) medidas a distintas alturas (S; S1, S2) del depósito (2) a intervalos de tiempo (δtc) y caracterizado porque la determinación de dicho instante de inicio del calentamiento (tONk; t'ONi) para garantizar dichas extracciones (Pk; Pi) tiene en cuenta las etapas siguientes: - con unos intervalos breves (δw), todas las w extracciones (P1, ..., Pi, ..., Pw), se tiene en cuenta el instante de inicio de extracción cuyo (ti) se encuentra dentro de un intervalo fijo y predeterminado (Δtw) inmediatamente posterior al instante actual. - en el que dicha ventana de tiempo (Δtw) se selecciona basándose en el tipo de usuarios para el que está destinado dicho calentador de agua de acumulación (1) y es suficientemente amplia para que comprenda el instante de inicio de extracción (ti) de todas las extracciones (Pi) en los que se espera que los instantes de inicio del calentamiento falsos (t'ONi) sean anteriores a los instantes de inicio del calentamiento falso (t'ON) correspondientes a las extracciones i-1 previas (P1, ..., Pi-1), - en dicho instante de inicio de extracción (ti) comprendido dentro de dicha ventana de tiempo (Δtw), se crean las extracciones falsas correspondientes (P'1, ..., P'i, ..., P'w) que presentan cada una, - un instante de inicio de extracción (tw) igual a la extracción real correspondiente (Pi), - una temperatura de inicio de la extracción falsa (T'set.i) obtenida añadiendo las temperaturas de inicio de las extracciones (Tset1, Tset2, ..., Tset(i-1)) de todas las extracciones comprendidas en dicha ventana de tiempo (Δtw) y previas a la extracción Pi propia a la temperatura de inicio real (Tset.i) correspondiente, de donde cada una de las temperaturas de inicio (Tset1, Tset2, ..., Tset(i-1)) se ha deducido de la temperatura óptima de vaciado Topt según la fórmula [T'set.i>=Tset.i++(Tset1-Topt)+(Tset2- Topt)+...+(Tset(i-1)-Topt)] - para cada una de dichas extracciones falsas (P'1, ..., P'i, ..., P'w), se calcula el instante de inicio del calentamiento falso t'ONi según la fórmula [t'ONi>=ti - (Tset.i-Tm)/VTh],
Description
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una extracción de una masa de agua Qp a la temperatura de uso Tu y, por consiguiente, cuanto mayor sea el volumen Vp implicado en la mezcla y, por lo tanto, en la práctica menor es el descenso resultante ∆Tm.
Por tanto, en la práctica, el descenso ∆Tm detectado por los sensores S; S1, S2 desde el inicio hasta el final de la extracción no es constante con la propia extracción, sino que disminuye a medida que la temperatura media efectiva Tm.eff desciende al iniciarse la extracción, lo que sin embargo no se detecta si dichos sensores S; S1, S2 se disponen en un nivel bajo.
Para finalizar, puesto que dicha relación entre el descenso ∆Tm y la temperatura media efectiva Tm.eff
- es realmente insignificante si la temperatura final de la extracción es relativamente elevada (lo que indica unas extracciones no muy grandes y/o una temperatura de inicio de la extracción Tmik elevada)
- mientras que es más importante si la temperatura final de la extracción es bastante baja (lo que indica unas extracciones grandes y/o una temperatura de inicio de la extracción Tmik baja), lo que provoca una estimación errónea de la cantidad de la propia extracción,
según la presente invención, dicha estimación errónea se corrige según una regla por la que cuando la temperatura final de la extracción Tmfk es inferior a un valor límite predeterminado T, se añade un término adicional ∆T*"k a dicho descenso de la temperatura ∆Tk=Tmik-Tmfk (fórmula 6).
Por supuesto, dicha regla y valor límite dependen del modelo del calentador de agua 1 y de las características del equipo, por lo que deben determinarse experimentalmente. Una regla general es que dicho valor límite predeterminado Ts se encuentra comprendido entre 20 y 30 °C y que dicho factor de corrección ∆T"k es como máximo un 50 % de dicho descenso de temperatura ∆Tk.
Un procedimiento de aplicación de dicha regla, preferido por su simplicidad y los buenos resultados que ha proporcionado experimentalmente, es el siguiente:
- si la temperatura final de extracción Tmfk es superior o igual a la temperatura óptima de vaciado Topt (una indicación, entre otras cosas, de que se ha realizado completamente la extracción), como ya se ha comentado, la temperatura de extracción Tset.k se fija igual a la temperatura óptima de vaciado Topt aumentada con el descenso de la temperatura anterior ∆Tk; es decir:
Tset.k = Topt + ∆Tk se Tmfk ≥Topt (fórmula 10)
- si, por otro lado, la temperatura final de extracción Tmfk es inferior a la temperatura óptima de vaciado Topt (una indicación, entre otras cosas, de que no se ha realizado completamente la extracción), se añade dicho factor de corrección ∆T"k, cuyo valor es igual a la diferencia entre dicha temperatura óptima de vaciado Topt y la temperatura final de extracción Tmfk, es decir:
∆T"k = + (Topt - Tmfk) if Tmfk< Topt (fórmula 11.a)
La etapa de registro del perfil de extracción continúa durante todo el ciclo, alternando dichas subetapas primera y segunda que, al terminar automáticamente al principio y al final de cada extracción, respectivamente, supondrán el mismo número que las extracciones.
De este modo se ha determinado y almacenado el perfil de las n extracciones, y cada extracción k se determina mediante dos parámetros característicos, el instante de inicio de extracción tk y el descenso de la temperatura ∆Tk producido por la misma.
Según una versión de la presente invención, durante la etapa de registro del perfil de extracción en el ciclo de captación, ya es posible un pequeño ajuste a las características reales de los equipos.
De hecho, dicha versión prevé que si el ciclo es semanal, puede cambiarse el valor predeterminado inicial Tset, lo que lo iguala a la temperatura máxima de extracción Tset.g, valor almacenado el día anterior, siempre que ello no implique una modificación excesiva del valor predeterminado inicial Tset (por ejemplo, comprendido en Tset ± 3 °C).
Como consecuencia de ello, si el valor predeterminado inicial Tset era excesivo para el uso efectivo, su reducción ya produce una limitación a las dispersiones. Por otra parte, si era insuficiente para las extracciones más grandes, el rendimiento ya se había mejorado. Por supuesto, dicha versión supone que la cantidad de las extracciones individuales (no necesariamente su número) no varía sustancialmente mucho cada día.
Se describirán a continuación los procedimientos destinados a gestionar el calentador de agua 1 según la presente invención, una vez que se ha captado el perfil de extracción durante el ciclo de captación.
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Según la presente invención, la temperatura objetivo Ttarget
-se puede mantener siempre igual a las temperaturas de mantenimiento Tstand-by alejadas de las extracciones -pero se lleva hasta una temperatura Tset.k no inferior a la temperatura de extracción Tset.k con un ∆tant relativo al
instante de inicio de extracción tk suficiente para garantizar dicha extracción.
La figura 4.a muestra algunos puntos P1, ... P4 que representan las mismas extracciones caracterizadas por los instantes correspondientes t1, ... t4 de inicio de la extracción tk y por las temperaturas correspondientes Tset.l, .. Tset.4 de la extracción Tset.k.
La figura 4.b muestra, además, la evolución de la temperatura Tm con las pendientes ascendentes R1, ... R4 para alcanzar dichas temperaturas de extracción T1, .. T4.
Dichas pendientes R1, ... R4 presentan una evolución que depende de la velocidad de calentamiento VTh. La evolución, tal como se conoce, es exponencial pero puede aproximarse por una parte rectilínea sin errores apreciables dado el orden de tamaño de la constante de tiempo de la temperatura del calentador de agua (por ejemplo, muy superior a los 106 s para un calentador de agua estándar 1).
Se supone que para cada extracción k, el instante de inicio del calentamiento tONk se puede calcular con la fórmula
- en la que el término (Tset.k-Tm)/VTh expresa el intervalo de avance del calentamiento ∆tant con respecto al instante de inicio tk requerido para que la temperatura Tm pase del valor actual al valor de extracción Tset.k
- y en la que dicho cálculo debe realizarse en intervalos breves, por ejemplo 60 segundos, teniendo en cuenta la extracción más próximo, es decir, con el instante de inicio de extracción tk más próximo en el tiempo.
En realidad, dicho procedimiento resulta insatisfactorio.
De hecho, en el ejemplo de la figura 4.b, debe observarse que procediendo en esta dirección, la extracción P1 se ha realizado pero al final no hay tiempo suficiente para que la temperatura alcance Tm que, siguiendo la extracción, ha descendido hasta la temperatura óptima de vaciado Topt, hasta la temperatura de extracción T2 requerida por la extracción P2. Por el mismo motivo, tampoco se realiza la extracción P3, aunque sí la extracción P4, pequeña y muy alejada de las anteriores.
En la práctica, no resulta posible garantizar el servicio con un procedimiento que tenga en cuenta, una cada la vez, únicamente el más próxima de las extracciones.
Por otro lado, según la presente invención, se aplica el procedimiento siguiente denominado "extracciones falsas", que en realidad implica la creación de extracciones falsas.
Con unos intervalos bastante breves δw, por ejemplo 60 segundos, todas las w extracciones P1, ..., Pi, ..., Pw, se tiene en cuenta el instante de inicio de extracción cuyo ti se encuentra dentro de un intervalo fijo y predeterminado (al que de ahora en adelante se hará referencia en la presente memoria como ventana de tiempo ∆tw) inmediatamente posterior al instante actual.
En dicho instante de inicio de extracción tw comprendido dentro de dicha ventana de tiempo ∆tw, se crean las extracciones falsas correspondientes P'1, ..., P'i, ..., P'w caracterizadas cada una por:
- -
- un instante de inicio de extracción tw igual a la extracción real correspondiente Pi
- -
- pero se ha deducido una temperatura de inicio de la extracción falsa T'set.i obtenida añadiendo las temperaturas de inicio de las extracciones Tset1, Tset2, ..., Tset(i-1) de todas las extracciones comprendidas en dicha ventana de tiempo ∆tw y previas a la propia extracción Pi a la temperatura de inicio real Tset.i correspondiente, de la que se ha deducido la temperatura óptima de vaciado Topt. Es decir, en fórmulas,
En las figuras 4.c y 4.d se presenta el resultado de dicha operación en las que las extracciones falsas P'1, P'2, P'3, P'4 se indican encima de las extracciones reales correspondientes P1, P2, P3, P4. La extracción falsa P'1 coincide con la extracción real P1 porque, puesto que fue la primera en la ventana de tiempo ∆tw, a su temperatura de inicio Tset.1, no se ha añadido otra temperatura.
En este punto, para cada extracción Pi de las w extracciones comprendida en la ventana de tiempo ∆tw, se calcula el instante de inicio del calentamiento falso t'ONi según la fórmula
11
Esto se consigue gracias a que el procedimiento calcula el instante de inicio del calentamiento falso t'ONi de la extracción Pi teniendo asimismo en cuenta el instante del calentamiento que se ha de asignar a todas las extracciones anteriores.
5 Cabe señalar que casi nunca se alcanza la temperatura de inicio de la extracción falsa T'set.i ya que a medida que tiene lugar el calentamiento, las extracciones intermedias disminuyen la temperatura del agua Tm.
En la práctica, el procedimiento de las "extracciones falsas" permite suministrar la energía térmica estrictamente necesaria para garantizar las extracciones, manteniendo la temperatura del agua Tm, en cada instante, al valor
10 mínimo requerido para dicho servicio y calculando la duración de los períodos de accionamiento del elemento calefactor 3 sin necesidad de conocer explícitamente la potencia térmica del mismo.
No hace falta inútil decir que, con el inconveniente del máximo ahorro energético que se pueda obtener pero con la ventaja de la seguridad de servicio, dichos instantes de inicio del calentamiento t'Oni se pueden avanzar un poco (un
15 avance de tolerancia ∆tol para tener en cuenta las desviaciones de los instantes efectivos de inicio de extracción (ti) con respecto a los registrados durante la captación del ciclo de extracción). De hecho, si el registro del perfil de extracción continúa en los ciclos de extracción posteriores al primer ciclo de captación, el regulador puede captar qué valor asignar a dicho avance de tolerancia ∆toll.
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