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

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

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

Campo de la invención

La presente invención se refiere a procedimientos y aparatos para la medición de la temperatura en un intercambiador de calor acoplado al terreno y más particularmente para la medición dinámica de la temperatura de un fluido circulando por un intercambiador de calor acoplado al terreno.

Antecedentes de la invención

La energía geotérmica (además de la energía de las mareas) es la única forma de energía renovable independiente del sol, teniendo su fuente definitiva en el interior de la tierra.

En los últimos años, el crecimiento de los sistemas de calefacción geotérmica se estima entre un 10% a un 30% anual [1]. Las tecnologías disponibles pueden reducir el consumo e incrementar la eficiencia del sistema [2], [3], así como reducir las emisiones de CO2. Todos estos aspectos están reflejados ampliamente en las referencias [4] - [7].

La Comunidad Europea y otras organizaciones internacionales como la DOE o la "American International Energy Agency" se refieren a dichos sistemas dentro del campo de la producción de calor mediante energías renovables. En este sentido se dispone de documentos que cuantifican el calor producido en distintos países de la Comunidad Europea [4].

Una de las posibilidades para el empleo de la energía térmica son los sistemas denominados Bomba de Calor Geotérmica ("geothermal heat pump o GHP"), o Sistema de Pozos Intercambiadores de Calor ("borehole heat exchangers, BHE"), los cuales se apoyan en la transferencia de calor mediante conducción desde los pozos de una perforación. Un fluido de transferencia térmica (habitualmente agua) circula en un lazo y lleva el agua caliente a una bomba de calor. La longitud de los intercambiadores de calor acoplados al terreno, necesarios para una producción de energía determinada, depende de las características del terreno tales como temperatura, tamaño y forma de partículas, contenido de humedad y coeficientes de transferencia de calor. El dimensionamiento correcto de los intercambiadores de calor acoplados al terreno es problemático. El sobredimensionamiento tiene unas consecuencias negativas, sobre todo económicas, mucho más importantes que en aplicaciones de climatización convencionales, de ahí la necesidad de desarrollar métodos que permitan su diseño y optimización antes de acometer su construcción. Uno de estos métodos es el Test de Respuesta Térmica (TRT), para obtener los parámetros térmicos del terreno.

El TRT típico consiste en inyectar una cierta carga de calor dentro del intercambiador de calor acoplado al terreno y medir los cambios de temperatura en el fluido circulante. El TRT fue desarrollado inicialmente en Suecia y USA en 1995 [8] y se usa actualmente en muchos países para dimensionar intercambiadores térmicos acoplados al terreno [9]. Un aspecto delicado del proceso de medida es el mantenimiento constante de la transferencia de calor porque errores del 5% pueden implicar errores en la conductividad térmica de hasta el 40% [9]. Además, el TRT realiza la medición de la temperatura del fluido únicamente en la entrada y salida del sistema, e ignora las variaciones que las propiedades físicas del suelo, como la estructura o la presencia de capas freáticas, pueden producir sobre la conductividad térmica del terreno.

Otros trabajos han explorado métodos alternativos al TRT para obtener la conductividad térmica del terreno: un sistema muy complejo basado en termómetros de fibra óptica [10], y la determinación de la conductividad utilizando un conocimiento previo del flujo geotérmico local [11].

La importancia de la disponibilidad de técnicas TRT queda demostrada en la iniciativa de la "Energy Conservation through Energy Storage (ECES), Implementing Agreement (IA) of International Energy Agency (IEA)" de lanzar en 2006 el Anexo 21 "Thermal Response Test" [12], En ese sentido, uno de los factores importantes a tener en cuenta es la evolución de la temperatura del fluido térmico en los intercambiadores de calor acoplados al terreno, existiendo una demanda de métodos y aparatos que permitan obtener mediciones de esa evolución de manera eficiente.

La presente invención está orientada a la atención de esa demanda.

Referencias

[1] J. E. Bose, M. D. Smith, J. D. Spitler, Advances in ground source heat pump systems. An international overview, 7th IEA Conference on Heat Pump Technologies, Beijing China May 2002.

[2] J. F. Urchueguía, M. Zacares, A. Montero, J. Martos, Experimental comparative analysis of a ground coupled heat pump system versus a conventional air-to-air heat pump in typical conditions of the European Mediterranean coast. Climamed 2006 Lyon (France).

[3] J. F. Urchueguía, M. Zacares, J.M. Corberán, A. Montero, J. Martos, H. Wtite Comparíson between the energy performance of a ground coupled water to water heat pump system and an air to water heat pump system for heating and cooling in typical conditions of the European Mediterranean coast. Energy Conversión and Management 2008 (in press).

[4] Libro Blanco Para Una Estrategia Comunitaria y Plan De Acción; Comunicación de la Comisión: Com(97)599 Final (26/11/1997) Energy for the Future: Renewable Sources of Energy.

[5] Commission Staff Working Document, The share of renewable energy in the EU, Country Profíles, Overview of Renewable Energy Sources in the Enlarged European Union (Brussels, 26.5.2004 SEC(2004) 547).

[6] Y. Genchi, Y. Kikegawa, A. Inaba, CO2 payback-time assessment of a regional-scale heating and cooling system using a ground source heat-pump in a high energy-consumption area in Tokyo, Applied Energy 71 (2002) 147-160.

[7] B. Sanner, C. Karytsasb, D. Mendrinosb, L. Rybachc, Current status of ground source heat pumps and underground thermal energy storage in Europe, Geothermics 32 (2003) 579-588.

[8] W. A. Austin, Development of an in-situ system for measuring ground thermal properties, Masterthesis Oklahoma State University, Oklahoma 1998.

[9] H.J.L. Witte, A.J. van Gelder, J.D. Spitle; In-situ measurement of ground thermal conductivity: The dutch perspective, ASHRAE Transactions, Volume 108, No. 1., 2002.

[10] E. Hurtig, B. Ache, S. Großwig, K. Hänsel; Fibre optic temperature measurements: a new approach to determine the dynamic behaviour of the heat exchanging médium inside a borehole heat exchanger, TERRASTOCK 2000,8th International Conference on Thermal Energy Storage Stuttgart, August 28th to Septemberlst, 2000.

[11] E. Rohner, L. Rybach, U. Schaärli; A new, small, wireless instrument to determine ground thermal conductivity in-Situ for borehole heat exchange design, Proceedings World Geothermal Congress 2005, Antalya, Turkey.

[12] B. Nordell, M. Reuss, G. Hellström Annex 21: Thermal Response Test. Draft, Nov. 2006.

[13] B. Sundararaman, U. Buy, A. D. Kshemkalyani; Clock synchronization for wireless sensor networks: a survey, Ad-Hoc network, 3(3): 282-323, 2005

Sumario de la invención

Un objeto de la presente invención es proporcionar un procedimiento para la medición dinámica de la temperatura de un fluido circulante en un intercambiador de calor acoplado al terreno.

Otro objeto de la presente invención es proporcionar una sonda para la medición dinámica de la temperatura de un fluido circulante en un intercambiador de calor acoplado al terreno.

Otro objeto de la presente invención es proporcionar una instalación para la medición dinámica de la temperatura de un fluido circulante en un intercambiador de calor acoplado al terreno.

En un primer aspecto, esos y otros objetos se consiguen con un procedimiento para la medición dinámica de la temperatura de un fluido en un intercambiador de calor acoplado al terreno que comprende los siguientes pasos:

a) Proporcionar una pluralidad de sondas con un sensor de...

1. Procedimiento para la medición dinámica de la temperatura de un fluido en un intercambiador de calor acoplado al terreno (11, 13), caracterizado porque comprende los siguientes pasos:

a) proporcionar una pluralidad de sondas (15) con un sensor de temperatura y medios de almacenamiento temporal y transmisión inalámbrica de una pluralidad de mediciones de temperaturas realizadas con dicho sensor;

b) proporcionar una instalación (21) para hacer circular un fluido así como una pluralidad de dichas sondas (15) por el intercambiador de calor acoplado al terreno (11, 13) controlando su velocidad;

c) utilizar dichas sondas (15) para obtener mediciones de la temperatura del fluido a intervalos temporales prefijados durante su circulación por el intercambiador de calor acoplado al terreno (11, 13);

d) almacenar los datos obtenidos en la etapa c) en un soporte apto para su utilización posterior.

2. Procedimiento para la medición dinámica de la temperatura de un fluido en un intercambiador de calor acoplado al terreno (11, 13) según la reivindicación 1, caracterizado porque las sondas (15) se insertan en la instalación (21) en una ubicación prefijada y circulan a la misma velocidad del fluido de manera que su posición espacial en el intercambiador acoplado al terreno (11, 13) puede ser determinada en función de la velocidad del fluido y el tiempo transcurrido desde su inserción.

3. Sonda autónoma (15) para la medición de la temperatura de un fluido circulante según el procedimiento objeto de la reivindicación 1 que comprende un sensor de temperatura de su entorno y medios de almacenamiento y transmisión inalámbrica de las mediciones realizadas durante un período de tiempo determinado de acuerdo con un programa preestablecido, caracterizada porque tiene una forma esférica y la misma densidad de dicho fluido.

4. Sonda autónoma (15) según la reivindicación 3, caracterizada porque tiene un diámetro menor de 30 mm.

5. Sonda autónoma (15) según la reivindicación 3, caracterizada porque tiene un diámetro menor de 25 mm.

6. Instalación (21) para la medición dinámica de la temperatura de un fluido en un intercambiador de calor acoplado al terreno (11, 13), caracterizada porque comprende:

- Un equipo hidráulico para hacer circular un fluido por el intercambiador de calor (11, 13) a una velocidad predeterminada que incluye un conducto de entrada (23) y un conducto de salida (25) al/del mismo, una válvula de inserción (35) de sondas (15) según la reivindicación 3 en dicho conducto de entrada (23) y una válvula de extracción (37) de dichas sondas (15) de dicho conducto de salida (25);

- Un equipo informático (41) con medios de control de dicho equipo hidráulico y medios de comunicación inalámbrica con dichas sondas (15) para proporcionarles los parámetros de configuración y para recibir los datos de las mediciones de temperatura obtenidos durante su circulación por el intercambiador de calor acoplado al terreno (11, 13) así como medios de almacenamiento de dichos datos.

7. Instalación (21) para la medición dinámica de la temperatura de un fluido en un intercambiador de calor acoplado al terreno (11, 13) según la reivindicación 6, caracterizada porque dichos medios de control del equipo hidráulico comprenden medios para controlar el momento de la inserción y extracción de dichas sondas (15).

8. Instalación (21) para la medición dinámica de la temperatura de un fluido en un intercambiador de calor acoplado al terreno (11, 13) según cualquiera de las reivindicaciones 6-7, caracterizada porque dicho equipo hidráulico también comprende medios para el calentamiento y enfriamiento del fluido.