ES3037497T3 - Water heating system - Google Patents

Water heating system

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ES3037497T3
ES3037497T3 ES23707441T ES23707441T ES3037497T3 ES 3037497 T3 ES3037497 T3 ES 3037497T3 ES 23707441 T ES23707441 T ES 23707441T ES 23707441 T ES23707441 T ES 23707441T ES 3037497 T3 ES3037497 T3 ES 3037497T3
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Martin Szymon Gutkowski
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Luthmore Ltd
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Abstract

Según un aspecto de la invención, se proporciona un sistema de calentamiento de agua que comprende un dispositivo de calentamiento eléctrico, una batería, un sistema de gestión de la batería, un disipador de calor y una carcasa aislante térmica. La batería está conectada eléctricamente al dispositivo de calentamiento eléctrico para alimentarlo. El sistema de gestión de la batería está conectado eléctricamente a la batería para cargarla. El disipador de calor está conectado térmicamente a la batería y está configurado para almacenar y liberar energía térmica. La carcasa aislante térmica encierra la batería y el disipador de calor. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN
Sistema de calentamiento de agua
Campo técnico
La presente invención se refiere a un sistema de calentamiento de agua que comprende un dispositivo eléctrico de calentamiento para calentar agua, una batería y un sistema de gestión de batería acoplado eléctricamente a la batería para cargar la batería.
La presente invención se refiere además a métodos para controlar dichos sistemas de calentamiento de agua y a productos de programas informáticos que permiten a una computadora llevar a cabo dichos métodos.
Antecedentes
Las calderas de calefacción central a menudo utilizan gas natural para calentar agua bajo demanda cuando se necesita agua caliente para actividades domésticas como lavar, bañarse, cocinar o calentar. La potencia calorífica de una caldera de gas doméstica suele ser de unos 20-40 kW, lo que normalmente será suficiente para satisfacer la demanda instantánea de agua caliente en un hogar común. Para aumentar la oferta disponible de agua caliente, es posible utilizar un calentador de agua bien aislado que se calienta en momentos de baja demanda y se utiliza cuando el agua caliente se consume más rápido de lo que la caldera puede calentarla.
Una clara desventaja de las calderas de gas es que requieren un suministro continuo de gas natural, para lo cual es necesario disponer de la infraestructura necesaria. Como alternativa, se pueden utilizar tanques de almacenamiento que ocupan espacio y que deberán reemplazarse y/o rellenarse periódicamente. Además, la quema de gas natural, que es un combustible fósil, produce emisiones de CO<2>. Por ello, en muchos países se está eliminando progresivamente el uso de calderas de gas y sustituyéndolo, por ejemplo, por bombas de calor, paneles solares térmicos y calderas eléctricas que pueden funcionar con energía renovable.
Las calderas eléctricas tienen la ventaja de una instalación y conexión sencillas. Por ejemplo, una caldera eléctrica se puede conectar a la red eléctrica muy fácilmente, por ejemplo, a través de una toma de corriente, y también se puede conectar al suministro de agua de forma sencilla. Por ello, las calderas eléctricas son un sustituto más práctico de las calderas de gas que, por ejemplo, las bombas de calor o los paneles solares térmicos. Una desventaja importante de las calderas eléctricas, sobre todo en comparación con las calderas de gas, es que su capacidad de calefacción está generalmente limitada por la energía disponible en la red eléctrica doméstica. Una caldera eléctrica doméstica típica no es capaz de suministrar más de unos 15 kW de potencia de calefacción, en comparación con los 20-40 kW que suministran las calderas de gas estándar. La energía necesaria para calentar el agua es una magnitud fundamental y, por tanto, el aumento de la temperatura, el caudal y la potencia están fundamentalmente relacionados entre sí. Por ello, una caldera eléctrica doméstica típica no puede proporcionar suficiente potencia de calefacción para igualar el rendimiento de las calderas de gas estándar, es decir, no puede calentar el agua que fluye a un caudal comparable a una temperatura comparable. En cambio, las calderas eléctricas normalmente suministran agua caliente a una temperatura más baja porque no hay suficiente potencia de calefacción disponible para calentar toda el agua, o con un caudal menor a través de la caldera, de modo que el agua que fluye más lento se puede calentar a la temperatura deseada.
Otros sistemas emplean un tanque de agua caliente para lograr el caudal de agua deseado a la temperatura deseada. Sin embargo, los tanques de agua caliente ocupan un espacio que no siempre está disponible y generalmente generan pérdidas de eficiencia porque ningún aislamiento mantendrá el agua caliente en el tanque a una temperatura constante indefinidamente. Además, el agua caliente procedente de dichos depósitos a menudo no puede suministrarse con la misma presión que el agua que sale directamente del suministro de agua principal. Además, el tiempo que tarda un tanque en calentarse genera una falta de flexibilidad para el usuario.
En la solicitud de patente alemana publicada como DE 102009030999 A1, se describe un calentador de agua eléctrico en el que una bomba de calor alimentada por batería calienta el agua que está almacenada en un tanque de agua. El agua del tanque se puede calentar y la batería se puede cargar en momentos en que los costes de electricidad son más bajos, como por la noche si se aplican tarifas nocturnas especiales, o durante el día cuando puede estar disponible la electricidad de paneles solares. La batería se enfría mediante una camisa de refrigeración llena de un líquido refrigerante. Esta camisa de refrigeración se utiliza para controlar la temperatura de la batería y garantizar que pueda cargarse y descargarse con una eficiencia óptima. Se proporciona un intercambiador de calor para intercambiar calor entre el agua en el tanque y el fluido refrigerante en la camisa de refrigeración de la batería. Esto permite utilizar el calor producido en la batería durante la carga para calentar el agua en el tanque, lo que contribuye a la eficiencia energética general del calentador de agua. Si bien el calentador de agua eléctrico D102009030999 A1 puede aliviar algunos de los problemas conocidos con el calentamiento eléctrico del agua, deja muchos de los problemas mencionados anteriormente sin resolver. Lo más importante es que la bomba de calor y el gran tanque de agua de este sistema de calefacción dan lugar a una instalación compleja que requiere mucho espacio. Un sistema similar se describe en DE 102009025596 B4, que también describe un gran tanque de agua en un sistema configurado para administrar la temperatura de una batería separada haciendo circular el agua del tanque a través de una serie de tuberías para agregar o quitar calor de la batería.
Un objetivo de la presente invención es abordar una o más desventajas asociadas con la técnica anterior.
Resumen de la invención
Según un aspecto de la invención, se proporciona un sistema de calentamiento de agua que comprende un dispositivo eléctrico de calentamiento para calentar agua, una batería, un sistema de gestión de batería, un dispositivo disipador de calor y una carcasa térmicamente aislante. La batería está acoplada eléctricamente al dispositivo eléctrico de calentamiento para alimentar dicho dispositivo. El sistema de gestión de la batería está acoplado eléctricamente a la batería para cargarla. El dispositivo disipador de calor está acoplado térmicamente a la batería y está configurado para almacenar y liberar energía térmica. La carcasa térmicamente aislante encierra la batería y el disipador de calor.
A diferencia de los sistemas de calentamiento de agua eléctricos conocidos hasta ahora, el dispositivo disipador de calor según la invención no se limita simplemente a evitar el sobrecalentamiento de la batería extrayendo calor durante el proceso de carga. Mientras que los sistemas de refrigeración de baterías conocidos intentan retirar todo el exceso de calor de la forma más eficiente posible, el sistema de disipación de calor según la invención absorbe y retiene el calor generado, almacenándolo para su uso posterior dentro de la misma carcasa térmicamente aislante que también encierra la batería. Ventajosamente, el dispositivo disipador de calor según la invención permite utilizar el calor generado por la batería para suministrar agua caliente bajo demanda sin necesidad de un depósito de agua separado. Además, la disposición del disipador de calor reduce las fluctuaciones en la temperatura de la batería, reduciendo así el riesgo de dañar la batería debido a ciclos térmicos excesivos. Las características de ahorro de espacio y eficiencia energética del sistema de calentamiento de agua eléctrico descritos en este documento lo hacen muy adecuado para ser utilizado para reemplazar calderas de gas de calor a demanda existentes o para su instalación en edificios nuevos, así como para su uso en otras aplicaciones con limitaciones de espacio.
La batería comprende medios para almacenar electricidad. En ejemplos preferidos, la batería puede comprender una o más celdas. Por ejemplo, la batería puede comprender una o más celdas de batería química.
El sistema de gestión de la batería está acoplado eléctricamente a la batería y está configurado para cargar la batería. Como tal, el sistema de gestión de batería puede denominarse cargador de batería o aparato de carga de batería en algunos ejemplos. En algunos ejemplos, el sistema de gestión de la batería puede ser una unidad modular separada dispuesta dentro de la carcasa aislante y acoplada eléctricamente a la batería. En otros ejemplos, el sistema de gestión de la batería puede estar integrado con la batería.
Preferiblemente, el dispositivo disipador de calor está acoplado adicionalmente de manera térmica al sistema de gestión de la batería y la carcasa térmicamente aislante encierra además el sistema de gestión de la batería. Al igual que la batería, el sistema de gestión de la batería puede producir calor durante el proceso de carga. Este calor también se puede almacenar en el disipador de calor dispuesto dentro de la carcasa aislante para calentar agua más tarde.
En ejemplos preferidos, el sistema de calentamiento de agua incluye una fuente de alimentación de corriente alterna (CA) a corriente continua (CC) para el sistema de gestión de la batería. La fuente de alimentación de CA a CC está configurada para acoplarse eléctricamente a una fuente de alimentación de CA, como la red eléctrica de CA. La fuente de alimentación de CA a CC puede ser parte del sistema de gestión de la batería en algunos ejemplos o, alternativamente, la fuente de alimentación de CA a CC puede ser un componente separado configurado para suministrar energía al sistema de gestión de la batería. En cualquier ejemplo, la fuente de alimentación de CA a CC está configurada para recibir electricidad de CA, por ejemplo, electricidad de la red eléctrica, y convertir la electricidad de CA en electricidad de CC para cargar la batería. Por ejemplo, se puede suministrar electricidad de la red a la batería para cargarla a través del sistema de gestión de la batería y/o la fuente de alimentación de CA a CC. Como tal, la fuente de alimentación de CA a CC está acoplada eléctricamente directa o indirectamente a la batería. La fuente de alimentación de CA a CC se puede configurar para convertir la electricidad de la red eléctrica de CA en electricidad de CC con un voltaje más alto que el RMS de la electricidad de la red eléctrica de CA, por ejemplo, utilizando una fuente de alimentación basada en corrección del factor de potencia (PFC). Más preferiblemente aún, la fuente de alimentación de CA a CC puede configurarse para convertir la electricidad de CA de la red eléctrica en electricidad de CC que tenga un voltaje más alto que el voltaje de carga completa de las celdas dentro de la batería.
La fuente de alimentación de CA a CC para el sistema de gestión de la batería está preferiblemente acoplada térmicamente a la disposición del disipador de calor. Lo más preferible es que la fuente de alimentación de CA a CC para el sistema de gestión de la batería esté situada dentro de la carcasa térmicamente aislantemente, por ejemplo, la carcasa térmicamente aislantemente encierra la fuente de alimentación de CA a CC para el sistema de gestión de la batería. De esta manera, la energía térmica producida por la fuente de alimentación de CA a CC cuando se carga la batería se puede almacenar mediante el disipador de calor dentro de la carcasa térmicamente aislante. La electrónica de potencia para otros dispositivos eléctricos dentro de la carcasa aislante, como por ejemplo bombas y/o ventiladores, también puede estar situada dentro de la carcasa térmicamente aislantemente y durante su uso también puede producir calor que puede almacenarse en el dispositivo disipador de calor dentro de la carcasa aislante.
En realizaciones preferidas, el dispositivo disipador de calor tiene una capacidad térmica que es suficiente para almacenar todo el calor producido por la carga de la batería, sin provocar daños en la batería a través de un ciclo térmico excesivo. Por ejemplo, el calor puede ser producido por el sistema de gestión de la batería, la fuente de alimentación de Ca a CC para el sistema de gestión de la batería, la batería misma y otros componentes eléctricos dentro de la carcasa aislante durante la carga de la batería, y este calor puede ser almacenado por el dispositivo disipador de calor. Preferiblemente, la capacidad térmica del dispositivo disipador de calor es mayor que el calor total producido al cargar la batería. Por ejemplo, la capacidad térmica del dispositivo disipador de calor es preferiblemente mayor que el calor total producido por los componentes eléctricos, tales como el sistema de gestión de la batería, la fuente de alimentación de CA a CC para el sistema de gestión de la batería y la batería, cuando se carga la batería.
La temperatura máxima óptima de la batería y la cantidad de calor producida durante la carga son cantidades conocidas o mensurables. De este modo, se pueden calcular los requisitos de capacidad térmica del dispositivo disipador de calor. La capacidad térmica de los materiales en el dispositivo disipador de calor también es una cantidad conocida o medible. Como tal, se pueden calcular los requisitos térmicos del dispositivo disipador de calor, y el dispositivo disipador de calor se puede configurar para garantizar que proporcione una capacidad máxima de almacenamiento de calor lo suficientemente grande para evitar causar daños a la batería debido a un ciclo térmico excesivo.
Se observa que también se producirá calor al descargar la batería. Sin embargo, la descarga de la batería se producirá durante los períodos de demanda de agua caliente. Cuando hay demanda de agua caliente, el dispositivo eléctrico de calentamiento utiliza la energía eléctrica almacenada en la batería para calentar el agua. Cualquier calor ya almacenado en el dispositivo disipador de calor, así como cualquier calor generado en la propia batería durante la descarga, se puede utilizar para precalentar el agua que va al dispositivo eléctrico de calentamiento.
El dispositivo disipador de calor puede comprender un intercambiador de calor configurado para facilitar el intercambio de calor entre el interior de la carcasa aislante y el agua que fluye hacia una entrada del dispositivo eléctrico de calentamiento. De esta forma, la temperatura dentro de la carcasa aislante se puede controlar eliminando calor del interior de la carcasa aislante a través del intercambiador de calor.
El dispositivo disipador de calor comprende preferiblemente un volumen de disipación de calor para contener un fluido de intercambio de calor. El volumen del disipador de calor puede configurarse para contener un fluido de intercambio de calor que sea un líquido o un gas. En otras palabras, el sistema puede comprender un fluido de intercambio de calor dentro del volumen del disipador de calor que puede ser un líquido o un gas. Un fluido intercambiador de calor puede facilitar una eliminación especialmente efectiva del calor del interior de la carcasa aislante. Además, un fluido de intercambio de calor puede facilitar la flexibilidad en la forma en que se elimina el calor del interior de la carcasa aislada.
La forma en que se consigue el precalentamiento del agua depende de si el volumen del disipador de calor es un "sistema abierto" o un "sistema cerrado".
En un sistema abierto, el volumen del disipador de calor puede estar acoplado fluidamente a una entrada del dispositivo eléctrico de calentamiento. Esto permite que el volumen del disipador de calor se llene con el agua que se va a calentar, lo que aumenta la capacidad térmica del dispositivo disipador de calor. Esto también permite que el agua pase a través del dispositivo disipador de calor antes de ser conducida al dispositivo eléctrico de calentamiento. De esta forma, el agua puede precalentarse antes de enviarse al dispositivo eléctrico de calentamiento para su posterior calentamiento. En un sistema cerrado, el agua suministrada al dispositivo eléctrico de calentamiento y el volumen del disipador de calor no están acoplados fluidamente. En cambio, el dispositivo disipador de calor puede comprender un intercambiador de calor para intercambiar calor entre el fluido de intercambio de calor en el volumen del disipador de calor y el agua que fluye hacia una entrada del dispositivo eléctrico de calentamiento. De esta manera, el agua que se va a calentar mediante el dispositivo eléctrico de calentamiento sigue siendo precalentada por el intercambiador de calor. En un sistema cerrado, el fluido de intercambio de calor puede ser agua, aire o cualquier otro fluido adecuado (es decir, líquido o gas).
Se puede incluir una bomba en un sistema abierto o en un sistema cerrado para promover la circulación de un fluido en el volumen del disipador de calor para garantizar una distribución uniforme de la energía térmica durante la carga y descarga de la batería. Por ejemplo, en un sistema abierto se puede utilizar una bomba para promover la circulación de agua a través del volumen del disipador de calor. En un sistema cerrado, se puede proporcionar una bomba para promover la circulación del fluido de intercambio de calor a través del volumen del disipador de calor y para facilitar el rechazo del calor del volumen del disipador de calor al pasar aún más a través del intercambiador de calor. Se apreciará que en los ejemplos en los que el fluido de intercambio de calor es un gas, la bomba de circulación puede ser un ventilador, por ejemplo.
Preferiblemente, el sistema de calentamiento de agua comprende además un controlador que está acoplado operativamente al sistema de gestión de batería y/o al dispositivo eléctrico de calentamiento. El controlador puede controlar el proceso de carga de la batería, por ejemplo, para garantizar que se minimicen los costes de carga o, por ejemplo, para garantizar que la batería esté completamente cargada en momentos de alta demanda prevista de agua caliente.
Se puede proporcionar un sensor de temperatura para medir la temperatura dentro de la carcasa térmicamente aislante.
En algunos ejemplos, el controlador puede estar acoplado operativamente a un dispositivo configurado para iniciar el flujo dentro del volumen del disipador de calor. Un dispositivo de este tipo puede ser una bomba (o un ventilador en los ejemplos en los que el fluido de intercambio de calor es un gas) o una válvula de liberación acoplada fluidamente al volumen del disipador de calor, por ejemplo. El controlador está preferiblemente acoplado operativamente al sensor de temperatura y al dispositivo y puede estar configurado para iniciar selectivamente el flujo dentro del volumen del disipador de calor para rechazar el calor del volumen del disipador de calor en función de la temperatura dentro de la carcasa térmicamente aislante. El flujo iniciado puede ser, por ejemplo, un flujo de fluido de intercambio de calor fuera del volumen del disipador de calor, o puede ser una circulación del fluido de intercambio de calor dentro del volumen del disipador de calor para promover el intercambio de calor entre el fluido de intercambio de calor y el agua que fluye hacia una entrada del dispositivo eléctrico de calentamiento. En cualquier ejemplo, el flujo dentro del volumen del disipador de calor finalmente da como resultado el rechazo de calor del volumen del disipador de calor.
El sistema puede incluir además una válvula de liberación acoplada fluidamente al volumen del disipador de calor y configurada para facilitar la liberación del fluido de intercambio de calor del volumen del disipador de calor. El controlador que está acoplado operativamente al sensor de temperatura y a la válvula de liberación está configurado para abrir la válvula de liberación dependiendo de la temperatura dentro de la carcasa térmicamente aislante.
En algunos ejemplos, la válvula de liberación acoplada de manera fluida al volumen del disipador de calor también puede estar acoplada de manera fluida a una entrada del dispositivo eléctrico de calentamiento y configurada para permitir el drenaje de agua desde el volumen del disipador de calor hacia la entrada del dispositivo eléctrico de calentamiento. Cuando la temperatura en el interior de la carcasa térmicamente aislante sube por encima de la temperatura máxima óptima de la batería en un momento en el que no hay demanda directa de agua caliente en una salida, se puede liberar calor rechazando el agua precalentada hacia, por ejemplo, un desagüe o un sistema de calefacción de habitación a base de fluido, como un sistema de calefacción de habitación a base de agua.
En algunos ejemplos, un sistema de calefacción por habitaciones basado en fluidos, como un sistema de calefacción central, puede funcionar como un disipador de calor adicional. Por ejemplo, incluso sin que fluya agua activamente a través del sistema de calefacción central, si el agua dentro del sistema de calefacción central está en comunicación fluida y, por lo tanto, también acoplada térmicamente al volumen del disipador de calor dentro de la carcasa aislante, entonces el calor de la batería también se puede conducir al agua en el sistema de calefacción central. Como tal, abrir la válvula de liberación para facilitar la comunicación de fluido entre el sistema de calefacción central y el volumen del disipador de calor puede aumentar la capacidad térmica disponible para almacenar el calor emitido por la batería y otros componentes eléctricos dentro de la carcasa.
En algunos ejemplos, el controlador puede estar acoplado operativamente al sensor de temperatura y la bomba configurada para hacer circular el fluido de intercambio de calor dentro del volumen del disipador de calor. Por lo tanto, el controlador puede configurarse para operar la bomba dependiendo de la temperatura dentro de la carcasa térmicamente aislante. Por ejemplo, si la temperatura dentro de la carcasa aislante aumenta por encima de un umbral establecido, el controlador puede operar la bomba para hacer circular el fluido de intercambio de calor dentro del volumen del disipador de calor para promover el intercambio de calor del fluido al agua que se va a calentar, a través del intercambiador de calor en un sistema cerrado.
En algunos ejemplos, el controlador puede estar acoplado operativamente al sensor de temperatura, una bomba y una válvula de liberación. El controlador puede operar tanto la bomba como la válvula de liberación para motivar el fluido de intercambio de calor, ya sea en forma líquida o gaseosa, fuera del volumen del disipador de calor para rechazar el calor del volumen del disipador de calor.
En algunos ejemplos, un circuito refrigerante de una bomba de calor puede estar dispuesto dentro de la carcasa aislante o puede estar acoplado térmicamente al interior de la carcasa aislada. Como tal, el calor emitido por la batería y otros componentes dentro de la carcasa puede ser rechazado al circuito refrigerante de la bomba de calor.
En algunas realizaciones, el sistema de calentamiento de agua puede comprender además un dispositivo de calentamiento secundario. El dispositivo de calentamiento secundario está configurado preferiblemente para ser alimentado por la red eléctrica. Por lo tanto, el dispositivo de calentamiento secundario puede denominarse dispositivo eléctrico de calentamiento secundario. Opcionalmente, el dispositivo de calentamiento secundario puede comprender una disposición de bomba de calor.
En algunos ejemplos, el sistema de calentamiento de agua puede configurarse de tal manera que el agua que será calentada por el dispositivo de calentamiento secundario se precaliente mediante el calor del interior de la carcasa térmicamente aislante. En un sistema abierto, el volumen del disipador de calor puede por tanto estar acoplado fluidamente a una entrada del dispositivo de calentamiento secundario. En un sistema cerrado, un intercambiador de calor puede configurarse para intercambiar calor entre el fluido de intercambio de calor en el volumen del disipador de calor y el agua que fluye hacia una entrada del dispositivo de calentamiento secundario.
En los ejemplos que incluyen un dispositivo eléctrico de calentamiento y un dispositivo de calentamiento secundario, existe la posibilidad de utilizar el dispositivo eléctrico de calentamiento (primario), el dispositivo de calentamiento secundario o ambos, dependiendo de las circunstancias. Cuando los dos dispositivos de calefacción están conectados en serie, la selección de cuál dispositivo de calefacción utilizar puede depender, por ejemplo, del aumento de temperatura que se desea o de los costes relativos de funcionamiento de uno u otro. En algunos ejemplos, el dispositivo eléctrico de calentamiento primario y el dispositivo de calentamiento secundario pueden estar dispuestos en trayectorias de flujo de fluido paralelas. Cuando el dispositivo eléctrico de calentamiento (primario) y el dispositivo de calentamiento secundario se encuentran en trayectorias de flujo de fluido paralelas, el uso simultáneo de ambos permitirá un mayor rendimiento, es decir, un mayor caudal de agua caliente y, por lo tanto, una mayor presión de agua en la salida para el caudal dado. La elección de cuál de los dos utilizar también puede depender de la demanda de agua caliente.
Se puede proporcionar un dispositivo de válvula controlable para controlar el caudal de fluido en cada una de las trayectorias de flujo de fluido paralelas. Por ejemplo, la disposición de válvula controlable puede comprender una primera válvula para controlar el caudal de fluido en la trayectoria de flujo de fluido que comprende el dispositivo eléctrico de calentamiento (primario), y una segunda válvula para controlar el caudal de fluido en la segunda trayectoria de flujo de fluido que comprende el dispositivo de calentamiento secundario. Preferiblemente, la primera válvula puede estar dispuesta corriente abajo del volumen del disipador de calor. Esto garantiza que el volumen del disipador de calor pueda permanecer lleno de agua incluso con la primera válvula cerrada para detener el flujo de fluido en la primera ruta de flujo de fluido. Como se describió anteriormente, el agua en el volumen del disipador de calor aumenta la capacidad térmica dentro de la carcasa aislante. En algunos ejemplos, la primera válvula puede actuar como la válvula de liberación descrita anteriormente, configurada para ser operada para controlar la temperatura dentro de la carcasa aislante. Preferiblemente, la segunda válvula puede estar dispuesta corriente abajo del dispositivo de calentamiento secundario.
Al disponer el dispositivo eléctrico de calentamiento (primario) y el dispositivo de calentamiento secundario en trayectorias de flujo de fluido paralelas y separadas, se minimiza de forma ventajosa el efecto de resistencia que experimenta el agua que se va a calentar. Por ejemplo, los dispositivos de calentamiento primario y secundario proporcionan cada uno una resistencia al flujo de agua. Al disponer los dispositivos de calentamiento en trayectorias de flujo de fluido paralelas, la resistencia proporcionada por un dispositivo de calentamiento determinado solo se encuentra cuando ese dispositivo de calentamiento está en uso, es decir, cuando el agua fluye a través de esa trayectoria de flujo de fluido. Esta disposición proporciona una ventaja sobre un sistema que comprende dispositivos de calentamiento dispuestos en serie en el que el agua fluye a través de múltiples dispositivos de calentamiento y es resistida por ellos incluso si dichos dispositivos de calentamiento no están calentando activamente el agua.
Opcionalmente, el dispositivo disipador de calor incluye un material de cambio de fase. Los materiales de cambio de fase son muy adecuados para almacenar grandes cantidades de energía térmica en un volumen relativamente pequeño y pueden hacerlo limitando las fluctuaciones de temperatura dentro de la carcasa térmicamente aislante. Por ejemplo, el dispositivo disipador de calor puede comprender un material de cambio de fase a base de sulfato de sodio o parafina.
En una realización ejemplar, la batería comprende múltiples módulos, es decir, módulos de batería, cada uno de los cuales contiene una o más celdas individuales. Los módulos están formados preferiblemente de un material que tenga una alta conductividad térmica, como el aluminio, para transferir eficientemente la energía térmica de las celdas al resto del conjunto del disipador de calor. La disposición del disipador de calor puede comprender un marco con múltiples compartimentos o fijaciones, cada compartimento o fijación dispuesto para sostener uno o más de los módulos de batería, todo lo cual se suma a la capacidad térmica del disipador de calor como un todo dentro de la carcasa aislante.
El volumen del disipador de calor puede comprender canales de fluido de intercambio de calor que pasan entre los respectivos módulos de batería. En algunos ejemplos, los canales de fluido de intercambio de calor pueden pasar a través de los respectivos módulos de batería. Con una configuración tan modular, el tamaño y la capacidad de calefacción del sistema se pueden adaptar fácilmente a las necesidades y circunstancias. Además, permite una fácil sustitución de módulos individuales en caso de fallo técnico y hace más práctico enrutar los canales de fluido del volumen del disipador de calor a través de la estructura de la batería y dejar una gran superficie disponible para la transferencia de calor.
En algunos ejemplos, uno o más canales de fluido de intercambio de calor pueden estar definidos por conductos en el marco. Por ejemplo, dichos conductos pueden formarse como parte integral del marco. Como tal, el marco puede realizar múltiples funciones, entre ellas sostener los módulos de batería, enrutar el fluido de intercambio de calor alrededor de los módulos de batería y conducir el calor entre los módulos de batería y el fluido de intercambio de calor, todo ello mientras que también aumenta la capacidad térmica total del dispositivo disipador de calor dentro de la carcasa aislante. El marco también puede comprender uno o más compartimentos configurados para retener un material de cambio de fase. En algunos ejemplos, los módulos individuales pueden comprender uno o más compartimentos configurados para retener un material de cambio de fase.
Alojar la batería dentro de la carcasa térmicamente aislante aumenta la capacidad térmica dentro de la carcasa aislante, de modo que la estructura de la batería en sí misma aumenta la capacidad térmica para ayudar a almacenar el calor rechazado por las celdas durante la carga, incluso cuando el fluido de intercambio de calor no fluye dentro del volumen del disipador de calor. En tal caso, a diferencia de los ejemplos de la técnica anterior, las celdas no se enfrían necesariamente de forma activa. En cambio, la disposición del disipador de calor dentro de la carcasa aislante está configurada para proporcionar una capacidad térmica suficiente para garantizar que las celdas no se sobrecalienten ni se dañen por un ciclo térmico excesivo como resultado de la cantidad predecible de energía térmica emitida durante la carga. Incluir el marco dentro de la carcasa aislante agrega mayor capacidad térmica dentro de la carcasa aislante.
Proporcionar un disipador de calor acoplado térmicamente a la batería dentro de la carcasa aislante ayuda a reducir las fluctuaciones en la temperatura de la batería. La reducción de las fluctuaciones de temperatura aumenta la longevidad de las células. En ejemplos preferidos, la temperatura dentro de la carcasa aislante puede mantenerse entre 0 °C y 85 °C, preferiblemente entre 20 °C y 40 °C. Para un control activo de la temperatura dentro de la carcasa aislante, el controlador puede accionar la válvula de liberación o la bomba de circulación, o controlar la carga de la batería, como se describió anteriormente.
Los módulos de batería, es decir, las celdas, pueden enfriarse activamente haciendo circular o fluir un fluido de intercambio de calor a través del volumen del disipador de calor. Tal motivación del fluido de intercambio de calor puede lograrse utilizando una bomba en un sistema abierto o un sistema cerrado como se describió anteriormente. En algunos ejemplos, los módulos de batería pueden enfriarse activamente haciendo fluir agua que se calienta mediante el dispositivo eléctrico de calentamiento a través del volumen del disipador de calor, por ejemplo, en un sistema abierto. Por ejemplo, se puede descargar calor desde el interior de la carcasa aislante y, por lo tanto, los módulos de batería pueden enfriarse activamente cuando se necesita agua caliente, por ejemplo, abriendo un grifo u otra salida corriente abajo del volumen del disipador de calor.
El sistema de calentamiento de agua puede comprender además un dispositivo de calentamiento de batería que está encerrado en la carcasa térmicamente aislante. Este dispositivo de calentamiento de batería se puede utilizar para garantizar que la temperatura de la batería se mantenga dentro de un rango óptimo para lograr una alta eficiencia energética y un bajo desgaste de la batería. En algunos ejemplos, el sistema puede comprender un conducto de retorno configurado para canalizar agua calentada desde la parte inferior de los dispositivos de calentamiento primario y/o secundario de regreso al volumen del disipador de calor dentro de la carcasa aislante para calentar la batería. El conducto de retorno puede comprender una válvula controlable de modo que la temperatura dentro de la carcasa aislante, y por tanto la temperatura de la batería, se puedan gestionar de forma activa abriendo y cerrando la válvula.
El sistema de calentamiento de agua consta de una carcasa exterior. La carcasa térmicamente aislante que encierra la batería y el disipador de calor está alojada dentro de la carcasa exterior. Además, el sistema de gestión de la batería puede estar alojado dentro de la misma carcasa exterior. En ejemplos aún más preferidos, la carcasa exterior puede albergar además el intercambiador de calor descrito anteriormente. Lo más preferible es que la carcasa exterior pueda albergar además al menos uno de un dispositivo eléctrico de calentamiento y un dispositivo de calentamiento secundario. Opcionalmente, también puede situarse un dispositivo de válvula controlable dentro de la carcasa exterior.
De acuerdo con otros aspectos de la invención, se proporcionan métodos de control para controlar el sistema de calentamiento de agua descrito anteriormente. Por ejemplo, se puede utilizar un método de control para controlar el caudal de fluido en cada trayectoria de flujo de fluido paralela disponible en función de al menos uno de los siguientes: la demanda actual de agua caliente, el estado de carga de la batería, la temperatura en el interior de la carcasa térmicamente aislantemente y el precio actual de la electricidad de la red eléctrica. Otros métodos de control pueden controlar la carga de la batería en función de al menos uno de los siguientes factores: el estado de carga de la batería, la temperatura dentro de la carcasa térmicamente aislante, el coste previsto de carga de la batería, el precio actual de la electricidad de la red eléctrica y la demanda prevista de agua caliente.
Breve descripción de los dibujos
A continuación, se describen realizaciones de la invención a modo de ejemplo con referencia a los dibujos adjuntos, en los que:
La figura 1 muestra esquemáticamente un sistema de calentamiento de agua según una realización de la invención;
La figura 2 muestra esquemáticamente una batería del sistema de calentamiento de agua incluida en una carcasa térmicamente aislante;
La figura 3 muestra una representación esquemática de una entrada y una salida de un volumen de disipación de calor de un sistema de calentamiento de agua con una configuración de transferencia de calor abierta;
La figura 4 muestra una representación esquemática de un intercambiador de calor dispuesto para transferir energía térmica entre el volumen del disipador de calor y el suministro de agua en un sistema que tiene un volumen de disipación de calor de circuito cerrado;
La figura 5 muestra una vista en perspectiva de un marco de batería con módulos de batería y una disposición de disipador de calor adecuada para su uso en el sistema de calentamiento de agua de la reivindicación 1;
La figura 6 muestra una vista de primer plano de una parte del marco de la batería de la figura 5; y
La figura 7 muestra una sección transversal de un marco de batería adecuado para su uso en el sistema de calentamiento de agua de la reivindicación 1.
Descripción detallada
La figura 1 muestra un diagrama esquemático de un sistema de calentamiento de agua 10 de acuerdo con un ejemplo de la invención. El sistema de calentamiento de agua 10 comprende una entrada de agua 12 configurada para recibir agua de un suministro de agua, tal como un suministro de agua principal o un tanque de agua (no se muestra). El sistema 10 también incluye un dispositivo eléctrico de calentamiento 14 para calentar el agua que ingresa al sistema 10 a través de la entrada de agua 12. El dispositivo eléctrico de calentamiento 14 puede ser, por ejemplo, un elemento de calentamiento eléctrico resistivo. El dispositivo eléctrico de calentamiento 14 está acoplado eléctricamente a una batería 16 de modo que la batería 16 puede alimentar el dispositivo eléctrico de calentamiento 14.
En ejemplos preferidos, el dispositivo eléctrico de calentamiento 14 puede ser alimentado por energía de corriente continua (CC) suministrada por la batería 16. En otros ejemplos, el dispositivo eléctrico de calentamiento 14 puede ser un dispositivo de calentamiento de corriente alterna (CA) 14, y el sistema 10 puede incluir además un convertidor de Ce a CA (no mostrado) a través del cual la energía de corriente continua de la batería 16 puede convertirse en energía de corriente alterna para alimentar el dispositivo de calentamiento 14.
Como se muestra en la Figura 1, el sistema de calentamiento de agua 10 incluye además un sistema de gestión de batería 18 acoplado eléctricamente a la batería 16 para permitir la carga de la batería 16, es decir, el sistema de gestión de batería 18 está configurado para cargar la batería 16. El sistema de gestión de batería 18 está conectado preferiblemente a la red eléctrica 20 para recibir energía eléctrica para cargar la batería 16. Aunque no se muestra en las figuras, en algunos ejemplos, el sistema de calentamiento de agua 10 también puede incluir una fuente de alimentación de CA a C<c>para el sistema de gestión de batería 18, que está configurado para recibir electricidad de CA de la red eléctrica 20 y convertirla en electricidad de CC para cargar la batería 16.
Como se muestra esquemáticamente en la Figura 1, el sistema 10 también incluye un controlador 22 que está acoplado operativamente al sistema de gestión de batería 18 para controlar la carga de la batería 16. Por ejemplo, el controlador 22 puede controlar la carga de la batería 16 dependiendo de al menos uno de los siguientes: el estado de carga de la batería 16, el costo previsto de carga de la batería 16, el precio actual de la electricidad de la red eléctrica y la demanda prevista de agua caliente. Como tal, el controlador 22 puede controlar el tiempo de carga de la batería 16. En algunos ejemplos, el controlador 22 puede estar configurado para recibir una entrada del usuario para ordenar directamente la carga de la batería 16. En algunos ejemplos, el controlador 22 también está acoplado al dispositivo eléctrico de calentamiento 14 para controlar el funcionamiento del dispositivo de calentamiento 14 en uso.
En algunos ejemplos, el dispositivo de calentamiento 14 puede estar acoplado eléctricamente a la red eléctrica 20 de tal manera que el dispositivo de calentamiento 14 puede ser alimentado por la red eléctrica 20 además de la energía proporcionada por la batería 16. En tales ejemplos, el sistema 10 puede comprender además un convertidor de CA a CC (no mostrado), tal como un rectificador para rectificar la electricidad de la red eléctrica de CA 20 para proporcionar energía de CC al dispositivo de calentamiento 14. Aunque no se muestra en las figuras adjuntas, en algunos ejemplos el sistema 10 puede incluir un dispositivo de calentamiento 14 alimentado tanto por la batería 16 como por la red eléctrica 20. En tal ejemplo, el dispositivo de calentamiento 14 puede ser alimentado principalmente por la batería 16, con energía suplementaria proporcionada por la red eléctrica 20. Como alternativa, el dispositivo de calentamiento 14 puede ser alimentado principalmente por la red eléctrica 20, y la batería 16 puede proporcionar energía suplementaria para lograr un rendimiento de calentamiento comparable al de una caldera de gas convencional.
En particular, el sistema de calentamiento de agua 10 incluye una disposición del disipador de calor 24 que está configurado específicamente para almacenar el calor emitido por la batería 16 y otros componentes eléctricos, y que por lo tanto ayuda a regular la temperatura de la batería 16. Como tal, la disposición del disipador de calor 24 está acoplado térmicamente a la batería 16 para facilitar la transferencia de energía térmica desde la batería 16 a la disposición del disipador de calor 24. En ejemplos preferidos, la disposición del disipador de calor 24 también está acoplado térmicamente al sistema de gestión de batería 18 para recibir calor del sistema de gestión de batería 18. De manera similar, en ejemplos en los que el sistema de calentamiento de agua 10 incluye una fuente de alimentación de CA a CC para el sistema de gestión de batería 18, dicha fuente de alimentación de CA a CC preferiblemente también está acoplada térmicamente a la disposición del disipador de calor 24 de modo que la disposición del disipador de calor 24 pueda recibir y almacenar energía térmica emitida por la fuente de alimentación de CA a CC durante la carga de la batería 16.
La disposición del disipador de calor 24 se describirá con más detalle más adelante con referencia a las Figuras 5, 6 y particularmente a la vista en sección transversal de la Figura 7. Sin embargo, a modo de descripción general inicial, la disposición del disipador de calor 24 está configurado con una capacidad térmica que es suficiente para almacenar todo el calor producido al cargar la batería 16 sin provocar daños en la batería 16 a través de un ciclo térmico excesivo.
Haciendo referencia todavía a la Figura 1, pero con referencia adicional a la Figura 2, la batería 16 y el disipador de calor 24 del sistema de calentamiento de agua 10 están encerrados en una carcasa térmicamente aislante26. En ejemplos preferidos, la carcasa térmicamente aislante26 también encierra el sistema de gestión de batería 18 como se muestra en la Figura 2. En los ejemplos que incluyen una fuente de alimentación de CA a CC para el sistema de gestión de batería 18, dicha fuente de alimentación está preferiblemente también incluida dentro de la carcasa térmicamente aislante26. La carcasa térmicamente aislante26 garantiza que el calor producido por la batería 16 y otros componentes eléctricos dentro de la carcasa, y que se transfiere al disipador de calor 24, se retenga en el disipador de calor 24, es decir, no se desperdicie ni se rechace inmediatamente.
Por lo tanto, el sistema de calentamiento de agua 10 facilita de manera ventajosa el uso efectivo del calor producido por la batería 16 para mejorar la eficiencia general y la longevidad del sistema de calentamiento de agua 10 como se describirá más adelante con más detalle. En particular, retener el calor producido por la batería 16 permite precalentar el agua antes de que dicha agua sea entregada al dispositivo eléctrico de calentamiento 14 como se muestra esquemáticamente en la Figura 1. Retener el calor también puede ayudar a mantener la temperatura de la batería 16 dentro de un rango de funcionamiento óptimo. Maximizar el rendimiento de la carcasa aislante 26, es decir, aumentar la resistencia térmica de la carcasa 26, aumenta la eficiencia del sistema de calentamiento de agua 10 al minimizar la pérdida de calor como resultado de la carga y descarga de la batería 16. En algunos ejemplos, la carcasa aislante 26 está configurada para retener el 70 %, preferiblemente al menos el 80 %, o más preferiblemente al menos el 90 %, de la energía térmica generada por la carga y descarga de la batería 16, en la disposición del disipador de calor 24 dentro de la carcasa 26. Por ejemplo, el rendimiento térmico de la carcasa 26 puede ser comparable al de un tanque de agua caliente aislado.
En ejemplos preferidos, el sistema de calentamiento de agua 10 incluye además un dispositivo de calentamiento secundario 28 como se muestra en el diagrama esquemático de la Figura 1. El dispositivo de calentamiento secundario 28 está configurado preferiblemente para ser alimentado por la red eléctrica 20, y puede comprender, por ejemplo, un elemento de calentamiento resistivo eléctrico. La inclusión de un dispositivo de calentamiento secundario 28 facilita una mayor potencia de calentamiento total, de modo que la potencia de calentamiento del sistema de calentamiento de agua eléctrico 10 puede ser comparable a la potencia de calentamiento de una caldera de gas típica cuando ambos dispositivos de calentamiento 14, 28, alimentados respectivamente por la batería 16 y la red eléctrica 20, se utilizan para calentar agua.
Como se muestra en la Figura 1, en ejemplos particularmente preferidos, el dispositivo eléctrico de calentamiento 14 y el dispositivo de calentamiento secundario 28 están dispuestos en trayectorias de flujo de fluido paralelas 30a, 30b. Por ejemplo, el dispositivo eléctrico de calentamiento 14 puede estar dispuesto en una primera trayectoria de flujo de fluido 30a, y el dispositivo de calentamiento secundario 28 puede estar dispuesto en una segunda trayectoria de flujo de fluido 30b. El sistema de calentamiento de agua 10 puede incluir una disposición de válvulas controlables 32 para controlar un caudal de fluido en cada una de las trayectorias de flujo de fluido paralelas 30a, 30b. Por ejemplo, el sistema 10 puede comprender una primera válvula controlable 34a dispuesta en la primera trayectoria de flujo de fluido 30a, y una segunda válvula controlable 34b dispuesta en la segunda trayectoria de flujo de fluido 30b.
El controlador 22 está preferiblemente acoplado operativamente a la disposición de válvula controlable 32. Abriendo y cerrando las válvulas controlables primera y segunda 34a, 34b es posible por tanto controlar la proporción del agua de la entrada de agua 12 que fluye a través de cada dispositivo de calentamiento 14, 28. El caudal de fluido en cada una de las trayectorias de flujo de fluido paralelas 30a, 30b se puede controlar en función de al menos uno de los siguientes factores: la demanda actual de agua caliente, el estado de carga de la batería 16, la temperatura en el interior de la carcasa térmicamente aislante26 y el precio actual de la electricidad de la red 20.
Haciendo referencia todavía a las Figuras 1 y 2, pero como se muestra más claramente en la Figura 7, la disposición del disipador de calor 24 comprende preferiblemente un volumen de disipación de calor 36 para contener un fluido de intercambio de calor 38. El calor producido por la batería 16 y el sistema de gestión de batería 18 se transfiere al fluido de intercambio de calor 38 en el volumen del disipador de calor 36. Proporcionar un fluido de intercambio de calor 38 en el volumen del disipador de calor 36 aumenta la capacidad térmica dentro de la carcasa aislante 26. En consecuencia, la energía térmica emitida por la batería 16, el sistema de gestión de batería 18 y otros componentes eléctricos dentro de la carcasa, puede almacenarse en el fluido de intercambio de calor 38 dentro de la carcasa aislante 26. El fluido de intercambio de calor 38 ayuda a permitir el control de la temperatura dentro de la carcasa aislante 26 y facilita una pluralidad de opciones para eliminar el calor del interior de la carcasa aislante 26 como se describirá con más detalle más adelante.
Haciendo referencia adicionalmente a la Figura 3, pero con referencia continua a la Figura 1, en algunos ejemplos el sistema de calentamiento de agua 10 puede configurarse como un sistema abierto. En una configuración de sistema abierto, el volumen del disipador de calor 36 está acoplado fluidamente a una entrada 40 del dispositivo eléctrico de calentamiento 14. En otras palabras, el volumen del disipador de calor 36 está en comunicación fluida con la entrada 40 del dispositivo eléctrico de calentamiento 14, de modo que el fluido 38 del volumen del disipador de calor 36 se suministra al dispositivo eléctrico de calentamiento 14 para un calentamiento adicional posterior. Preferiblemente, en un sistema abierto el fluido de intercambio de calor 38 en el volumen del disipador de calor 36 puede ser agua que se introduce en el sistema de calentamiento de agua 10 a través de la entrada de agua principal 12.
En un sistema abierto, el agua fluye desde la entrada de agua 12, a través del volumen del disipador de calor 36 y luego se entrega al dispositivo eléctrico de calentamiento 14, por ejemplo, a través de la primera ruta de flujo de fluido 30a. En dicha configuración, el agua se precalienta mediante el calor emitido por la batería 16, el sistema de gestión de batería 18 y otros componentes eléctricos alojados en la carcasa aislante 26 antes de ser calentada aún más por el dispositivo eléctrico de calentamiento 14. Esta configuración proporciona un sistema de calentamiento de agua energéticamente eficiente 10 porque el calor excedente se transfiere directamente desde la batería 16, el sistema de gestión de batería 18 y otros componentes eléctricos como una fuente de alimentación de CA a CC, al agua que se va a calentar. De esta manera, la energía introducida en el sistema de calentamiento de agua 10 se utiliza directa o indirectamente para calentar agua y, por lo tanto, no se desperdicia.
En la Figura 3 se muestran esquemáticamente una entrada 42 y una salida 44 del volumen del disipador de calor 36 en un sistema abierto. En este ejemplo, toda el agua transportada a través del primer recorrido de flujo de fluido 30a fluye primero a través del volumen del disipador de calor 36, antes de llegar al dispositivo eléctrico de calentamiento 14. Sin embargo, en algunos otros ejemplos el sistema 10 puede estar configurado de tal manera que una parte del agua que fluye en la primera trayectoria de flujo de fluido 30a se desvía para fluir a través del volumen del disipador de calor 36, mientras que el agua restante en la primera trayectoria de flujo de fluido 30a evita el volumen del disipador de calor 36 y se entrega directamente al dispositivo eléctrico de calentamiento 14.
En algunos ejemplos, el sistema de calentamiento de agua 10 puede comprender una válvula de liberación (no mostrada) acoplada fluidamente al volumen del disipador de calor 36. En algunos ejemplos, la válvula de liberación puede estar configurada para permitir el drenaje del fluido de intercambio de calor 38, como agua, del volumen del disipador de calor 36. Por ejemplo, se puede liberar agua en la primera trayectoria de flujo de fluido 30a. Aunque no se muestra en la Figura 3, el sistema 10 también puede incluir un sensor de temperatura configurado para medir la temperatura dentro de la carcasa térmicamente aislante26. El controlador 22 está preferiblemente acoplado operativamente al sensor de temperatura y a la válvula de liberación de modo que la válvula de liberación pueda funcionar en dependencia de la temperatura dentro de la carcasa térmicamente aislante26. En algunos ejemplos, la primera válvula controlable 34a descrita anteriormente puede realizar la misma función que la válvula de liberación, es decir, la primera válvula controlable 34a puede abrirse o cerrarse dependiendo de la temperatura dentro de la carcasa térmicamente aislante26. La válvula 34a puede funcionar independientemente del dispositivo eléctrico de calentamiento 14, es decir, la válvula 34a puede funcionar independientemente de si el dispositivo eléctrico de calentamiento 14 está funcionando para calentar el agua. Como tal, en algunos ejemplos, la temperatura dentro de la carcasa aislante 26 se puede controlar permitiendo o bloqueando el flujo de agua a través del volumen del disipador de calor 36 abriendo o cerrando la válvula controlable 34a para permitir o bloquear el rechazo de calor del volumen del disipador de calor 36.
Se configura un sistema cerrado de tal manera que el calor se elimina del interior de la carcasa aislante 26 a través de un intercambiador de calor 48. La figura 4 muestra un ejemplo de una porción de un sistema cerrado en una interfaz entre el volumen del disipador de calor 36 y una trayectoria de flujo de fluido 30a. Esta configuración puede describirse como un sistema cerrado porque el volumen del disipador de calor 36 no está en comunicación fluida con la primera o segunda trayectoria de flujo de fluido 30a, 30b. El intercambiador de calor 48 facilita una transferencia de energía térmica desde el interior de la carcasa aislante 26 al agua que fluye hacia una entrada 40 del dispositivo eléctrico de calentamiento 14. Por lo tanto, el intercambiador de calor 48 está dispuesto preferiblemente corriente arriba del dispositivo eléctrico de calentamiento 14. De esta manera, el agua suministrada al dispositivo eléctrico de calentamiento 14 puede ser precalentada por el intercambiador de calor 48 utilizando el calor del interior de la carcasa aislante 26.
En un sistema cerrado, un fluido de intercambio de calor separado 38 circula dentro del volumen del disipador de calor 36 para recibir la energía térmica emitida por la batería 16. El intercambiador de calor 48 está configurado preferiblemente para transferir calor del fluido de intercambio de calor 38 al agua que fluye hacia una entrada 40 del dispositivo eléctrico de calentamiento 14. En algunos ejemplos, el fluido de intercambio de calor 38 en el volumen del disipador de calor 36 de un sistema cerrado puede ser agua. Sin embargo, un sistema cerrado también facilita el uso de otros fluidos de intercambio de calor 38, porque en dicho sistema, el fluido de intercambio de calor 38 no está acoplado fluidamente a una salida en la que se entrega agua calentada a un consumidor. Por lo tanto, el fluido de intercambio de calor 38 no necesita ser seguro para el consumo humano, y puede incluir aditivos ventajosos, como por ejemplo un agente anticorrosivo.
El volumen del disipador de calor 36 puede ser una configuración compleja que comprende una pluralidad de canales de fluido de intercambio de calor 50 (como se muestra en las Figuras 6 y 7, por ejemplo). Por lo tanto, puede ser ventajoso configurar el volumen del disipador de calor 36 como un sistema cerrado para permitir un control estrecho del fluido 38 dentro del volumen del disipador de calor 36. Por ejemplo, el agua corriente puede contener diferentes minerales naturales que podrían dejar depósitos, como cal, en las superficies sobre las que fluye dicha agua a lo largo del tiempo. Un volumen del disipador de calor de sistema cerrado 36 significa que se pueden introducir agentes químicos específicos en el volumen del disipador de calor 36 para garantizar que los canales de fluido de intercambio de calor 50 no se dañen, restrinjan o bloqueen por dichos depósitos. Finalmente, en algunos ejemplos, el agua que fluye sobre y alrededor de la batería 16 y otros materiales dentro de la carcasa aislante 26 puede no ser adecuada o segura para el consumo humano y, por lo tanto, proporcionar el volumen del disipador de calor 36 como un sistema cerrado evita cualquier posible contaminación del agua suministrada a un consumidor en una salida.
Un sistema cerrado puede incluir una bomba (no mostrada) para hacer circular el fluido de intercambio de calor 38 a través del volumen del disipador de calor 36. Un sistema cerrado también puede incluir un sensor de temperatura (no mostrado) dentro de la carcasa térmicamente aislante26. El controlador 22 puede estar acoplado operativamente al sensor de temperatura y a la bomba, y el controlador 22 puede operar la bomba de circulación dependiendo de la temperatura dentro de la carcasa aislante 26 para promover el rechazo de calor del fluido de intercambio de calor 38 al flujo de agua fría entrante en una trayectoria de flujo de fluido 30a, 30b a través del intercambiador de calor 48.
En otros ejemplos, un sistema cerrado puede incluir además una válvula de liberación (no se muestra). La válvula de liberación puede estar acoplada fluidamente al volumen del disipador de calor 36. El controlador 22 puede estar acoplado operativamente a una válvula de liberación tal que dicha válvula pueda funcionar dependiendo de la temperatura dentro de la carcasa aislante 26. Por ejemplo, un fluido de intercambio de calor gaseoso 38, tal como aire, en el volumen del disipador de calor 36 puede liberarse directamente al ambiente fuera de la carcasa aislante 26 para gestionar la temperatura dentro de la carcasa aislante 26. Como alternativa, se puede liberar un fluido de intercambio de calor líquido 38 desde el volumen del disipador de calor 36 a través de la válvula de liberación hacia un drenaje, por ejemplo, para controlar la temperatura dentro de la carcasa aislante 26.
En algunos ejemplos de un sistema cerrado, la válvula de liberación puede estar acoplada de manera fluida a un sistema de calefacción basado en fluido, tal como un sistema de calefacción central basado en agua, de modo que, a través del funcionamiento de la válvula de liberación, el calor puede ser rechazado desde el volumen del disipador de calor 36 al fluido en el sistema de calefacción. Tal rechazo de calor se puede facilitar simplemente acoplando fluida y térmicamente el volumen del disipador de calor 36 con el sistema de calefacción abriendo la válvula de liberación, sin requerir necesariamente que el sistema de calefacción esté haciendo fluir activamente el fluido de intercambio de calor 38 a través del volumen del disipador de calor 36. Proporcionar comunicación fluida entre el volumen del disipador de calor 36 y un sistema de calentamiento a base de agua puede aumentar la capacidad térmica disponible para almacenar el calor emitido por la batería 16.
Aunque no se muestra en las figuras adjuntas, en algunos ejemplos el sistema 10 también puede incluir un dispositivo de calentamiento de batería que está encerrado en la carcasa térmicamente aislante26. El dispositivo de calentamiento de la batería puede estar acoplado operativamente al controlador 22 de tal manera que el controlador 22 pueda, cuando sea necesario, aumentar la temperatura dentro de la carcasa aislante 26 operando el dispositivo de calentamiento de la batería para asegurar que la temperatura de la batería 16 permanezca dentro de un rango operativo óptimo.
A continuación, se describirán con más detalle la batería 16 y otros componentes del sistema de calentamiento de agua 10 dispuestos dentro de la carcasa térmicamente aislante 26 con referencia a las figuras restantes. La siguiente descripción es igualmente aplicable al sistema abierto y al sistema cerrado que se han descrito anteriormente. Para facilitar la referencia, el fluido 38 en el volumen del disipador de calor 36 se denomina aquí fluido de intercambio de calor 38 porque el calor se transfiere, es decir, se intercambia, desde la batería 16 al fluido de intercambio de calor 38. Se apreciará que en un sistema abierto el fluido de intercambio de calor 38 es el agua que se va a calentar utilizando el dispositivo de calentamiento 14, y en un sistema cerrado el fluido de intercambio de calor 38 es un fluido separado del agua que se va a calentar utilizando el dispositivo de calentamiento 14.
Con referencia a las Figuras 5, 6 y 7, la batería 16 comprende preferiblemente múltiples módulos de batería 52. Por ejemplo, los módulos de batería 52 pueden incluir cada uno una o más celdas 54 de batería, tales como celdas 54 de batería químicas, por ejemplo. Los módulos de batería 52 pueden estar conectados eléctricamente entre sí en serie para proporcionar una corriente alta al dispositivo eléctrico de calentamiento 14. Como alternativa, los módulos de batería 52 pueden estar conectados eléctricamente entre sí en paralelo de modo que se proporcione energía de alto voltaje al dispositivo eléctrico de calentamiento 14. En algunos otros ejemplos, las conexiones eléctricas entre los módulos de batería 52 pueden reconfigurarse selectivamente para facilitar el control activo de la corriente y el voltaje proporcionados al dispositivo eléctrico de calentamiento 14.
La disposición del disipador de calor 24 incluye un marco 56 que tiene múltiples compartimentos o fijaciones que están dispuestos para contener uno o más de los módulos de batería 52. Se apreciará que, siendo parte de la estructura de la batería, el marco 56 también está alojado dentro de la carcasa aislante 26 (como se muestra en la Figura 2 por ejemplo). Por lo tanto, el marco 56 proporciona capacidad térmica adicional para almacenar la energía térmica emitida por la batería 16 y otros componentes eléctricos dentro de la carcasa 26. En algunos ejemplos, y como se muestra más claramente en la Figura 7, la disposición del disipador de calor 24 dentro de la carcasa aislante 26 puede incluir un material de cambio de fase 60, y el material de cambio de fase 60 puede estar contenido por el marco 56.
Con referencia nuevamente más particularmente a la vista en sección transversal de un ejemplo en la Figura 7, el volumen del disipador de calor 36 comprende canales de fluido de intercambio de calor 50 que pasan entre o a través de respectivos módulos de batería 52. Esta configuración proporciona al volumen del disipador de calor 36 una gran área de superficie a través de la cual se puede transferir calor al fluido de intercambio de calor 38. Como referencia, los canales de fluido de intercambio de calor 50 del volumen del disipador de calor 36 también se muestran en los ejemplos de las Figuras 5 y 6.
A continuación, se describirán las ventajas del sistema de calentamiento de agua eléctrico 10 de la presente invención mediante un ejemplo numérico. Sin embargo, debe tenerse en cuenta que los valores numéricos utilizados a modo de ejemplo se proporcionan sólo como ejemplo y no pretenden limitar el alcance de la invención definida en las reivindicaciones adjuntas.
A modo de demostración, el siguiente ejemplo supone una eficiencia de carga del 90 % y una capacidad de batería de 10 kWh. Para cargar la batería 16, la batería 16, es decir, las celdas de batería 54, y el sistema de gestión de batería 18 combinados rechazarán (10/0.9)-10 = 1.11 kWh de energía térmica. Se trata de energía térmica que, a menos que se almacenara, se desperdiciaría.
En este ejemplo, cada celda 54 tiene una masa de 0.65 kg, un voltaje nominal de 3.2 V, una capacidad de 30 Ah y proporciona un almacenamiento de energía de 96 Wh. La capacidad calorífica específica de dicha celda 54 depende de la construcción precisa de la celda; sin embargo, normalmente estaría en la región de 0.8-1.7 kJ/kgK. Para los fines de este ejemplo, cada celda 54 tiene una capacidad calorífica específica de 1 kJ/kgK.
Una batería 16 con una capacidad de 10 kWh puede estar formada por ciento cuatro de las celdas 54 previamente definidas (10 kWh / 96 Wh = ~104 celdas). Por lo tanto, la capacidad térmica de las celdas 54 de esta batería 16 en este ejemplo es 104 x 1 kJ/kgK x 0.65 kg = 67.6 kJ/K. Por tanto, se necesitan 67.6 kJ de energía térmica para calentar todas las celdas 54 a 1 K (= 1 °C). La batería 16 y el sistema de gestión de batería 18 emiten 1.11 kWh de energía térmica, lo que equivale aproximadamente a 4 MJ, y 4 MJ/67.6 kJ proporcionan un aumento de temperatura de 59 °C.
Si bien el aumento de temperatura de la batería puede estar técnicamente dentro del rango especificado para las celdas 54, es probable que el ciclo térmico en este rango durante un período de muchos años degrade la salud y/o el rendimiento de la batería. Como se describió anteriormente, el sistema de calentamiento de agua 10 de la presente invención incluye además una disposición del disipador de calor 24 dentro de la carcasa aislante 26 para aumentar la capacidad térmica dentro de la carcasa 26. La disposición del disipador de calor 24 dentro de la carcasa aislante 26 incluye el marco 56 para almacenar o montar los módulos de batería 52 para mantenerlos en su posición. Para los fines de este ejemplo, el marco 56 puede estar hecho de aluminio fundido.
A continuación, se describirá un ejemplo numérico para demostrar el rendimiento térmico de la disposición del disipador de calor 24 dentro de la carcasa aislante 26. A los efectos del ejemplo, el marco 56 está configurado para albergar doce de las celdas 54 descritas anteriormente (por ejemplo, véase la Figura 6). Se apreciará que cualquier cálculo puede realizarse con un número arbitrario de celdas siempre que se respeten los números respectivos. De esta manera se pueden comparar directamente los cambios de temperatura.
Continuando con el ejemplo mostrado en la Figura 6, doce celdas 54 tienen una capacidad calorífica combinada de 12 x 1 kJ/kgK x 0.65 kg = 7.8 kJ/K. Las doce celdas 54 utilizadas en este ejemplo tienen una capacidad de almacenamiento de 12 x 96 Wh = 1.152 kWh. La energía térmica emitida durante la carga con una eficiencia del 90 % es = (1.152/0.9) - 1.512 = 0.128 kWh que es = 460.8 kJ. El aumento de temperatura experimentado por las celdas como resultado del calor emitido durante la carga, sin uso de un disipador de calor 24 dentro de la carcasa 26, sería por lo tanto 460.8 kJ / 7.8 kJ/K = 59 °C en este ejemplo.
Sin embargo, como se describió anteriormente, proporcionar una disposición del disipador de calor 24 dentro de la carcasa térmicamente aislantereduce ventajosamente las fluctuaciones de temperatura experimentadas por las celdas 54 de la batería 16. El marco 56 dentro de la carcasa aislante 26 es parte del disipador de calor 24 en este ejemplo. Para los fines de este ejemplo, se puede suponer que el marco 56 tiene una masa de 2.5 kg y la capacidad calorífica específica del aluminio es 0.96 kJ/kgK. Por lo tanto, la capacidad térmica del marco 56 se puede calcular como 2.5 kg x 0.96 kJ/kgK = 2.4 kJ/K. De ello se deduce que la capacidad térmica total del marco 56 y de las celdas 54 dentro de la carcasa aislante 26 en este ejemplo es 7.8 kJ/K 2.4 kJ/K = 10.2 kJ/K.
Como se ha descrito anteriormente, las doce celdas 54 de este ejemplo tienen una capacidad de almacenamiento de 1.152 kWh y la energía térmica emitida durante la carga con una eficiencia del 90 % es de 460.8 kJ. Por lo tanto, el aumento total de temperatura dentro de la carcasa aislante 26 como resultado de la carga se puede calcular en 460.8 kJ / 10.2 kJ/K = 45 °C. Por lo tanto, al proporcionar un disipador de calor 24 que incluye el marco 56, se reduce el aumento de temperatura que experimentan las celdas 54 dentro de la carcasa aislante 26 durante la carga.
La capacidad térmica dentro de la carcasa 26 se incrementa aún más al incluir el fluido de intercambio de calor 38 en el volumen del disipador de calor 36 dentro de la carcasa aislante 26. Para los fines de este ejemplo, el fluido de intercambio de calor 38 es agua. El volumen del disipador de calor 36, es decir, incluidos los canales de fluido de intercambio de calor 50, puede ser de 0.466 litros en este ejemplo. Por lo tanto, el fluido de intercambio de calor 38 (agua) en el volumen del disipador de calor 36 tiene una masa de 0.466 kg y la capacidad calorífica específica del agua es de 4.2 kJ/kgK. En consecuencia, el fluido de intercambio de calor 38 en el volumen del disipador de calor 36 proporciona una capacidad térmica adicional de 1.957 kJ/K (de 4.2 kJ/kgK x 0.466 kg = 1.957 kJ/K).
Por lo tanto, la capacidad térmica total dentro de la carcasa aislante 26, incluidas las celdas 54, el marco 56 y el fluido de intercambio de calor 38, es de 7.8 kJ/K 2.4 kJ/K 1.96 kJ/K = 12.16 kJ/K. El calor total emitido durante la carga con una eficiencia del 90 % es 460.8 kJ. Por lo tanto, el aumento total de temperatura experimentado por las celdas 54 dentro de la carcasa aislante 26 es de 460.8 kJ / 12.16 kJ/K = 37.9 °C de aumento de temperatura. Evidentemente, el fluido de intercambio de calor 38 dentro del volumen del disipador de calor 36 reduce aún más el aumento de temperatura.
Como se describió anteriormente, en algunos ejemplos el sistema de calentamiento de agua 10 puede incluir adicionalmente un material de cambio de fase 60, tal como sulfato de sodio, dentro de la carcasa aislante 26. Para los fines de este ejemplo, el material de cambio de fase 60 es sulfato de sodio que tiene un punto de fusión de 32.4 °C y un calor de fusión de 252 kJ/kg. Por tanto, se necesitan 252 kJ de energía para fundir 1 kg de sulfato de sodio, y esto ocurrirá a 32.4 °C.
En ejemplos preferidos, el sistema de calentamiento de agua 10 está configurado de tal manera que el punto de fusión del material de cambio de fase 60 está dentro del rango de temperaturas experimentadas dentro de la carcasa aislante 26 cuando se carga y descarga la batería 16. De esta forma, el cambio de temperatura se detendrá durante el tiempo que lleve derretir (o congelar) un volumen determinado del material de cambio de fase 60.
Volviendo al presente ejemplo, tres de los nueve canales de fluido de intercambio de calor 50 en el marco 56 mostrado a modo de ejemplo en la Figura 6 pueden llenarse con sulfato de sodio 60. Es decir, el sulfato de sodio, es decir el material de cambio de fase 60, puede estar alojado en la disposición del disipador de calor 24 en un compartimento provisto por el marco 56.
La energía necesaria para fundir este volumen de material de cambio de fase 60 se puede restar de la energía disponible para aumentar la temperatura (o agregarse a la energía rechazada durante el enfriamiento). En este ejemplo los canales de fluido de intercambio de calor 50 llenos de fluido de intercambio de calor 38 tienen ahora un volumen de 0.311 litros, y por lo tanto el sistema 10 comprende agua con una masa de 0.311 kg en el volumen del disipador de calor 36. La capacidad calorífica específica del agua es de 4.2 kJ/kgK, por lo que la capacidad calorífica añadida al incluir el fluido de intercambio de calor 38 dentro de la carcasa aislante 26 es de 4.2 x 0.311 = 1.306 kJ/K. En este ejemplo, habiendo reducido la cantidad de fluido de intercambio de calor 38, la capacidad térmica total dentro de la carcasa aislante 26 es por tanto 7.8 kJ/K 2.4 kJ/K 1.31 kJ/K = 11.51 kJ/K.
Sin embargo, la masa de sulfato de sodio 60 contenida dentro de los tres canales es 0.414 kg, y la energía requerida para fundir esta masa de sulfato de sodio es = 0.414 kg x 252 kJ/kg = 93 kJ. El calor emitido durante el cambio con una eficiencia del 90 % es 460.8 kJ. Al eliminar el calor absorbido al fundir el material de cambio de fase 60 quedan 460.8 kJ - 93 kJ = 367.8 kJ. El aumento total de temperatura experimentado por las celdas 54 en un sistema 10 que incluye material de cambio de fase 60 dentro de la carcasa aislante 26 en este ejemplo es de 367.8 kJ / 11.51 kJ/K = 32.0 °C. El cálculo anterior no considera el calor específico del sulfato de sodio sólido y líquido, y en realidad, el aumento de temperatura es incluso menos severo. En resumen, la inclusión de material de cambio de fase 60 dentro de la carcasa 26 reduce aún más el aumento de temperatura experimentado por las celdas 54, lo que aumenta su longevidad como se describió anteriormente.
La invención descrita en este documento y definida en las reivindicaciones adjuntas almacena de forma ventajosa el calor emitido por la batería 16 durante la carga y lo utiliza para permitir un calentamiento de agua más eficiente y aumentar la longevidad de la batería. Aumentar la eficiencia de un sistema generalmente implica un aumento en los costes de materiales y fabricación. Sin embargo, el sistema de calentamiento de agua 10 de la presente invención facilita una mayor eficiencia del sistema sin aumentar el costo. Por ejemplo, se pueden utilizar celdas 54 menos eficientes con mayor resistencia interna que resultan en una mayor producción de calor porque el calor emitido se recaptura en la disposición del disipador de calor 24 para su uso posterior. Es probable que el uso de dichas celdas 54 conlleve una ventaja en términos de costo. De manera similar, la electrónica del sistema de gestión de batería 18 puede diseñarse deliberadamente para que sea óptima y, por lo tanto, más barata, porque la energía térmica emitida se captura y se almacena para su uso posterior.
Además, se apreciará que la descripción anterior y las figuras adjuntas se proporcionan simplemente como ejemplo. Por lo tanto, son posibles muchas alternativas a los ejemplos específicos proporcionados anteriormente sin alejarse del alcance de la invención tal como se define en las reivindicaciones adjuntas.

Claims (19)

REIVINDICACIONES
1. Un sistema de calentamiento de agua (10) que comprende:
- una carcasa exterior,
- un dispositivo eléctrico de calentamiento (14) para calentar agua,
- una batería (16) acoplada eléctricamente al dispositivo eléctrico de calentamiento para alimentar el dispositivo eléctrico de calentamiento,
- un sistema de gestión de batería (18) acoplado eléctricamente a la batería para cargar la batería,
- una disposición del disipador de calor (24) acoplado térmicamente a la batería y configurado para almacenar y liberar energía térmica, y
- una carcasa térmicamente aislante (26) alojada dentro de la carcasa exterior, caracterizado porque La carcasa térmicamente aislante encierra la batería y el disipador de calor.
2. Un sistema de calentamiento de agua (10) según la reivindicación 1, en el que la disposición del disipador de calor (24) tiene una capacidad térmica que es suficiente para almacenar todo el calor producido por la carga de la batería (16), sin provocar daños en la batería a través de un ciclo térmico excesivo.
3. Un sistema de calentamiento de agua (10) según la reivindicación 1 o 2, en el que la disposición del disipador de calor (24) está acoplado térmicamente al sistema de gestión de batería (18), y en el que la carcasa térmicamente aislante (26) encierra además el sistema de gestión de batería.
4. Un sistema de calentamiento de agua (10) según cualquier reivindicación anterior, en el que la disposición del disipador de calor (24) comprende un intercambiador de calor (48) configurado para facilitar el intercambio de calor entre un interior de la carcasa aislante (26) y el agua que fluye hacia una entrada (40) del dispositivo eléctrico de calentamiento (14).
5. Un sistema de calentamiento de agua (10) según cualquier reivindicación anterior, en el que la disposición del disipador de calor (24) comprende un volumen disipador de calor (36) para contener un fluido de intercambio de calor (38).
6. Un sistema de calentamiento de agua (10) según la reivindicación 5, en el que el volumen del disipador de calor (36) está acoplado fluidamente a una entrada (40) del dispositivo eléctrico de calentamiento (14).
7. Un sistema de calentamiento de agua (10) según la reivindicación 5 o 6, en el que la disposición del disipador de calor (24) comprende un intercambiador de calor (48) para intercambiar calor entre un fluido de intercambio de calor (38) en el volumen del disipador de calor (36) y agua que fluye hacia una entrada (40) del dispositivo eléctrico de calentamiento (14).
8. Un sistema de calentamiento de agua (10) según la reivindicación 7, que comprende además una bomba para circular el fluido de intercambio de calor (38) a través del volumen del disipador de calor (36).
9. Un sistema de calentamiento de agua (10) según cualquiera de las reivindicaciones 5 a 8, que comprende además un controlador (22) acoplado operativamente al sistema de gestión de baterías (18) y/o al dispositivo eléctrico de calentamiento (14), y un sensor de temperatura para medir una temperatura dentro de la carcasa térmicamente aislante (26), en donde el controlador está acoplado operativamente a un dispositivo configurado para iniciar el flujo dentro del volumen del disipador de calor (36), tal como una bomba o una válvula de liberación acoplada fluidamente al volumen del disipador de calor, estando el controlador acoplado operativamente al sensor de temperatura y al dispositivo y configurado para iniciar selectivamente el flujo dentro del volumen del disipador de calor para rechazar el calor del volumen del disipador de calor en función de la temperatura dentro de la carcasa térmicamente aislante.
10. Un sistema de calentamiento de agua (10) según la reivindicación 9, que comprende además una válvula de liberación acoplada fluidamente al volumen del disipador de calor y configurada para facilitar la liberación del fluido de intercambio de calor (38) desde el volumen del disipador de calor (36), estando el controlador (22) acoplado operativamente al sensor de temperatura y a la válvula de liberación y configurado para abrir la válvula de liberación en función de la temperatura dentro de la carcasa térmicamente aislante (26).
11. Un sistema de calentamiento de agua (10) según la reivindicación 10, en el que la válvula de liberación está acoplada adicionalmente de manera fluida a una entrada (40) del dispositivo eléctrico de calentamiento (14) y configurada para permitir el drenaje de agua desde el volumen del disipador de calor (36) hacia la entrada del dispositivo eléctrico de calentamiento.
12. Un sistema de calentamiento de agua (10) según la reivindicación 9 y que comprende una bomba para hacer circular el fluido de intercambio de calor (38) a través del volumen del disipador de calor (36), estando el controlador (22) acoplado operativamente al sensor de temperatura y a la bomba y configurado para operar la bomba en función de la temperatura dentro de la carcasa térmicamente aislante (26).
13. Un sistema de calentamiento de agua (10) según cualquier reivindicación anterior, que comprende además un dispositivo de calentamiento secundario (28) configurado para ser alimentado por electricidad de la red eléctrica.
14. Un sistema de calentamiento de agua (10) según la reivindicación 13, en el que el dispositivo eléctrico de calentamiento (14) y el dispositivo de calentamiento secundario (28) están dispuestos en trayectorias de flujo de fluido paralelas (30a, 30b), comprendiendo además el sistema de calentamiento de agua una disposición de válvula controlable (32) para controlar un caudal de fluido en cada una de las trayectorias de flujo de fluido paralelas.
15. Un sistema de calentamiento de agua (10) según cualquier reivindicación anterior, en el que la disposición del disipador de calor (24) incluye un material de cambio de fase (60).
16. Un sistema de calentamiento de agua (10) según cualquier reivindicación anterior, en el que la batería (16) comprende múltiples módulos (52) cada uno de los cuales contiene una o más celdas (54) individuales, y en el que la disposición del disipador de calor (24) comprende un marco (56) con múltiples compartimentos (58) o fijaciones, estando cada compartimento o fijación dispuesto para contener uno o más de los módulos de batería.
17. Un sistema de calentamiento de agua (10) según la reivindicación 16, en el que la disposición del disipador de calor (24) comprende un volumen disipador de calor (36) para contener un fluido de intercambio de calor (38), y en el que el volumen disipador de calor comprende canales de fluido de intercambio de calor (50) que pasan entre y/o a través de respectivos módulos de batería (52).
18. Un sistema de calentamiento de agua (10) según cualquier reivindicación anterior, que comprende además un dispositivo de calentamiento de batería que está encerrado en la carcasa térmicamente aislante (26).
19. Un sistema de calentamiento de agua (10) según cualquier reivindicación anterior, que comprende además una fuente de alimentación de CA a CC dentro de la carcasa aislante (26), estando la fuente de alimentación acoplada eléctricamente a al menos uno de la batería (16) y/o el sistema de gestión de la batería (18) para suministrar energía a la batería, y estando la fuente de alimentación acoplada térmicamente a la disposición del disipador de calor (24).
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Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20250362033A1 (en) * 2024-05-23 2025-11-27 Caterpillar Inc. Co-generation system for heating application

Family Cites Families (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4363221A (en) * 1979-08-20 1982-12-14 Singh Kanwal N Water heating system having a heat pump
JP5012695B2 (ja) * 2008-06-26 2012-08-29 株式会社デンソー 給湯システム
DE102009030999A1 (de) 2008-07-07 2010-04-08 Denso Corporation, Kariya-City Heißwasser-Versorgungssystem
JP4631967B2 (ja) * 2008-12-22 2011-02-16 株式会社デンソー 蓄電蓄熱装置
CN102549348B (zh) * 2010-07-07 2014-07-23 松下电器产业株式会社 储热水式供热水系统及其运转方法
JP6344015B2 (ja) * 2014-03-31 2018-06-20 ダイキン工業株式会社 給湯システム
KR102394801B1 (ko) * 2017-10-20 2022-05-04 현대자동차주식회사 차량용 배터리 냉각 장치
KR101990592B1 (ko) * 2018-05-28 2019-06-18 한국기계연구원 상변화 냉각모듈 및 이를 이용하는 배터리팩
KR102096616B1 (ko) * 2018-07-24 2020-04-02 광운대학교 산학협력단 계통 연계 및 독립형으로 운전이 가능한 소규모 태양광/태양열 융복합 시스템
CN111829165A (zh) * 2019-04-20 2020-10-27 青岛经济技术开发区海尔热水器有限公司 壁挂式外壳及电热水器
CN110440334A (zh) * 2019-09-05 2019-11-12 上海建筑设计研究院有限公司 一种生活热水供给系统

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