ES2264988T3 - Tejado termico solar. - Google Patents

Abstract

Un tejado o una cara de pared (110) que consta de una serie de listones (216a, 216b) espaciados para formar una sede de recorridos transversales, de una serie de tejas (218a, 218b, 218c) reforzadas por los listones (216a, 216b) en los recorridos definidos por los mismos para proporcionar una capa externa de dicha cara (110) cuyas tejas (218a, 218b, 218c) deben poder absorber la radiación solar, de una serie de bandas (214a, 214b, 214c) colocadas una para cada recorrido para formar una capa interna prácticamente coextensiva con la capa externa cuyas bandas (214a, 214b 214c) absorben la radiación solar, y de un conducto (228) para un medio líquido de transferencia de calor de un sistema de calefacción solar que se extiende a lo largo de las bandas (214a, 214b, 214c) para que cuando esté en funcionamiento, el medio líquido se caliente cuando las bandas (214a, 214b, 214c) absorban la radiación solar incidente a través de las tejas (218a, 218b, 218c). En cada recorrido de la teja hay un espacio(226) y en dicho espacio se mantiene el aire por y a lo largo de la banda de ese recorrido, que se caracteriza porque dicho espacio se ventila mediante medios de ventilación formados en dicha banda.

Description

Tejado térmico solar.

Este sistema está relacionado con un tejado térmico solar, es decir, un tejado que capta el calor de los rayos solares para proporcionar calefacción a un lugar o calentar agua.

Es bien sabido que la energía solar puede utilizarse para suministrar agua caliente y esto es común en países tropicales y subtropicales. En latitudes más altas, el beneficio es menor, pero aún así existe. En Gran Bretaña, por ejemplo, la energía solar puede calentar el agua de uso doméstico para una familia tipo durante los meses de verano y brindar un complemento útil (precalentamiento del suministro de agua) durante el resto del año. Durante el transcurso de un año, un tejado que mira al sur en Gran Bretaña recibe alrededor de 1000 kWh/m^{2} y esto constituye una fuente de energía potencial importante.

Por lo general, la energía solar se capta a través de los llamados colectores planos que se instalan, a menudo, en los tejados. El colector está formado por una caja cerrada con una cubierta transparente y dentro de la caja, se encuentra una placa absorbente de color negro o una placa tratada para absorber radiación incidente. El agua que circula por las tuberías que se encuentran dentro de la caja se calienta. La cantidad de energía que se capta depende del tamaño del colector que está naturalmente limitado por cuestiones estéticas y de manipulación, especialmente cuando el colector está montado en el tejado. También es importante tener en cuenta que la efectividad del colector depende de cuánto se limita la pérdida de calor. Además de estar aislada térmicamente, la caja se cierra de manera convencional para evitar la pérdida de calor convectivo. Por lo tanto, cuando se utiliza el colector, el aire también crea un efecto de cobertura para que el calor se acumule en la caja.

La técnica de cubrir los tejados con tejas fotovoltaicas para generar electricidad ya se conoce, pero hay que tener en cuenta que éstas son relativamente fáciles de conectar entre sí.

En un sistema térmico, sin embargo, reducir el tamaño de los colectores planos convencionales al tamaño de una teja común implicaría una gran cantidad de tiempo y mayor coste de interconexión. Por consiguiente, se realizaron otras propuestas para adaptar las tejas del tejado para que transmitan calefacción solar.

Offenlegungsschrift DE 3934719 describe una disposición en la que las tejas de aluminio se moldean para que puedan engancharse sobre las tuberías de un sistema de calefacción solar y dichas tuberías funcionen como listones de tejado. Las tejas están anodizadas y tienen una cubierta externa de color negro mate para que absorban la radiación solar incidente y transmitan el calor al agua que circula por las tuberías. Las tejas de este sistema no poseen recubrimiento aislante ya que esto implicaría una pérdida importante de calor por convección y una pérdida aún mayor cuando estuvieran expuestas a precipitaciones y su consiguiente evaporación.

Offenlegungsschrift DE 3218013 cuenta con un listón de tejado que está fabricado con metal térmicamente conductor e incluye una tubería para un sistema de calefacción solar. Sin embargo, se propone que las tejas convencionales se coloquen sobre estos listones lo que limita la obtención de energía solar ya que las tejas convencionales no son capaces de absorber la radiación solar. Los listones sólo cubren una porción relativamente pequeña del área del tejado que podría utilizarse para recolectar el calor solar y esto, también, disminuye la efectividad.

La patente de Estados Unidos 4,202,319 describe las tejas con forma de colectores planos de tamaño reducido. Cada una de estas tejas tiene una entrada y una salida conectadas a los canales de un listón y, de esta manera, proporciona una ruta de circulación para el fluido del sistema de calefacción solar. Los expertos en la materia se darán cuenta de que la necesidad de asegurar una conexión impermeable entre cada teja y su listón de soporte demanda mucha precisión por parte del fabricante y habilidad por parte de la persona que construye el tejado.

Esto implica un coste elevado que se encarece más con las bobinas o estructuras similares de recolección de calor que se encuentran en cada teja.

La patente japonesa Nº 4 343 963 propone un método mucho más simple por medio del cual se colocan tuberías de intercambio calorífico en surcos que se forman en placas de aglomerado para el tejado que después se recubren con tejas transparentes. Sin embargo, de acuerdo con la disposición descrita, no se genera la cobertura necesaria de aire quieto.

La patente de Estados Unidos 4,364,374 describe un panel similar a las tejas con 10 espacios para el aire. Sin embargo, este aire circula (con el fin de transferir calor) en vez de funcionar como una cubierta. Además, el panel está diseñado y dispuesto de tal manera que la conexión al sistema de calefacción solar se establece a través de una tubería que se extiende por uno de los espacios que crea un conducto abierto para el aire desde la base hasta la parte superior del tejado cuando el panel está conectado a otros paneles en un tejado inclinado. Esto conlleva necesariamente a una pérdida importante de calor convectivo.

La patente de Estados Unidos 4,083,360 describe una disposición en la que se colocan uno o más colectores planos entre las vigas de un tejado y debajo de un área de tejas que trasmiten radiación. Las tejas pueden colocarse como un doble acristalamiento para generar un aislamiento térmico y los colectares también pueden colocarse a lo largo de la pendiente de un tejado.

La patente del Reino Unido 2 070 232 describe una estructura de tejados para acumular energía térmica en la que el aire pasa a través de elementos de ventilación que se encuentran debajo de las tejas. Las tejas son convencionales, por lo tanto, no son transmisoras de radiación solar como lo son en los colectores normales. Además, el sistema proporciona un flujo de aire en vez de una cubierta de aire considerablemente quieto.

La patente japonesa Nº 57 150 756 describe una cara del tejado según el preámbulo en la reivindicación 1.

Uno de los objetivos de este sistema es proporcionar un tejado térmico solar (o pared, ya que puede aplicarse, de igual manera, en superficies verticales) que cuente con el aislamiento térmico deseable de los colectores planos, pero sin el coste adicional y la complicación de los mismos.

Por lo tanto, de acuerdo con este sistema, se proporciona un tejado o una cara de pared que consta de una serie de listones espaciados para crear una serie de recorridos transversales, de una serie de tejas reforzadas por los listones en los recorridos definidos para proporcionar una capa externa de dicha cara, cuyas tejas deben poder absorber la radiación solar, de una serie de bandas colocadas una para cada recorrido para formar una capa interna prácticamente coextensiva con la capa externa, cuyas bandas absorben la radiación solar, y de un conducto para un medio líquido de transferencia de calor de un sistema de calefacción solar que se extienden al lado de las bandas para que cuando esté en funcionamiento, el medio líquido se caliente cuando las bandas absorban la radiación solar que llega a través de las tejas. En cada recorrido de la teja hay un espacio en donde se mantiene aire y también se mantiene aire a lo largo de la banda de ese recorrido, en el que dicho espacio se ventila mediante medios de ventilación formados en dichas bandas.

Aquellos expertos en la materia agradecerán que el sistema brinde los beneficios de una calefacción solar eficaz (incluyendo una cubierta de aire térmicamente aislante) sin necesidad de un colector piano separado u otras complicaciones de la técnica anterior. También se valorará que estos beneficios puedan extenderse a lo largo de todo el tejado o la cara de la pared, potencialmente y es posible más allá de lo que ofrece un colector convencional.

El aire puede mantenerse en cada recorrido en el espacio mencionado a través de la cooperación de los listones, las tejas y/o las bandas.

El conducto se extiende preferentemente a través de cada uno de dichos espacios. Las bandas pueden poseer medios, tales como soportes o bordes levantados, para sostener el conducto y el conducto puede estar constituido por una tubería flexible que se extiende a través de todos los espacios mencionados.

En vez de tener una longitud constante, es preferible, para mayor comodidad al instalar el tejado, que cada banda esté constituida por secciones transversales discontinuas. Los listones pueden recubrir las bandas o las bandas pueden recubrir los listones.

El tejado o la cara de la pared poseen medios de ventilación para airear cada espacio mencionado. Los medios de ventilación se forman en las bandas, por ejemplo, al corrugar un borde por el cual cada banda está sujeta a un listón. Las bandas también pueden formarse y acomodarse para drenar la humedad de dichos espacios.

Los flejes pueden estar reforzados por una capa de material térmicamente aislante y la cara del tejado también puede tener una membrana semiporosa que refuerce las bandas.

En general, el tejado o la cara de la pared se colocan preferentemente mirando hacia el Ecuador.

Otras funciones dé este sistema se explicarán a través de la siguiente descripción que se proporciona sólo a través de ejemplos y hace referencia a los dibujos adjuntos en los cuales:

La Figura 1 es una vista en perspectiva de una casa;

La Figura 2 es una vista esquemática de la elevación lateral de una parte del tejado de la casa de la Figura 1, cuyo tejado incluye el sistema;

La Figura 3 es una proyección horizontal esquemática, mirada desde arriba de las bandas, que comprende la primera capa del tejado de la Figura 1; y

La Figura 4 es un esquema de la elevación lateral y otra forma de realización del sistema.

Si nos remitimos en primer lugar a la Figura 1, la casa que se muestra tiene una cara del tejado 110. Tal como se describirá en detalle más adelante, la cara 110 del tejado se coloca como un colector térmico solar. Se elige la cara 110 del tejado porque se coloca, generalmente, mirando hacia el Ecuador (a diferencia de las caras 112, 114 y 116 del tejado) y porque es grande (si se lo compara con la cara del tejado 118 del porche).

Debe tenerse en cuenta que si la disposición de la casa de la Figura 1 se girara 90º en sentido horario (visto desde arriba), la cara 114 del tejado mirarla entonces hacia el Ecuador y podría utilizarse como colector solar en vez de utilizar la cara del tejado 110. Sin embargo, en esta disposición seria mejor utilizar la cara de la pared 120 por su mayor tamaño. (El sistema puede aplicarse tanto a las caras de paredes como a las caras del tejado).

Si nos remitimos ahora a la Figura 2, ésta muestra que la cara del tejado 110 está conformada por un capa térmicamente aislante 210 y una serie de contralistones 212 que se fijan por encima de la capa 210. Estos contralistones 212 se extienden hacia arriba y abajo del tejado, y están separados equitativamente para sostener a una serie de bandas de aluminio 214a, 214b, 214c, etc., que se extienden a lo largo del tejado y sus extremos se superponen entre sí para formar una capa interna continua. Los listones 216a, 216b, etc. están fijados a la estructura del tejado en la parte superior de los extremos superpuestos de las bandas de aluminio 214a, 214b, 214c, etc., que están recubiertos de un color negro mate y se describirán más detalladamente en relación con la Figura 3. Los listones 216a, 216b, etc., por lo tanto, mantienen las bandas 214a, 214b, 214c, etc. en su lugar y también sujetan una capa externa de tejas 218a, 218b, 218c, etc. Cada una fabricada con policarbonato y que son capaces de absorber la radiación solar.

Si se observa la teja 218b, tiene una cola (extremo inferior) que se extiende sobre la cabeza (extremo superior) de la teja contigua descendente 218c para formar un desagüe para las precipitaciones. De la misma manera, el extremo superior de la teja 218b encaja debajo del extremo inferior de la teja contigua ascendente 218a. También hay juntas de solape a prueba de condiciones climáticas (no se muestran, pero tienen una forma común) en las que las tejas se superponen una con otra y de lado a lado. Por lo tanto, las tejas se imbrican para que la capa externa sea sustancialmente continua. El extremo superior de la teja 218b posee un reborde 220 que se extiende hacia abajo hasta engancharse con el listón 216a en el que la teja 218b se fija en su extremo superior. El extremo inferior de la teja 218b está sostenido por un sujetador de tejado 222 de forma común que fija una junta de solape a prueba de condiciones climáticas de la teja 218b. El extremo inferior de la teja 218b también posee un borde 224 para enganchar la teja contigua descendente 218c.

Todas las tejas del tejado son similares y se colocan de manera similar excepto en donde se necesitan disposiciones especiales en la base, parte superior y laterales del tejado. Como aquellos expertos en la materia observarán, en la base del tejado, la parte inferior del recorrido inferior de tejas recubre una tabla de frontis, en la parte superior, el recorrido superior de tejas está rematado con una teja de caballete y las últimas tejas de cada recorrido están pegadas con mortero o adheridas en su lugar. Se añade una pieza de relleno con forma si es necesario.

Tal como se indica claramente en la Figura 2, hay espacios 226 entre las capas internas y externas del tejado que están unidas por las tejas y las bandas de metal. Una tubería de cobre 228 para el agua (u otro medio líquido de transferencia del calor) del sistema de calefacción solar se extiende por cada espacio 226. La tubería 228 se sujeta, pero puede soltarse, del borde descendente de la banda de aluminio 214a que se gira hacia arriba en 230 para envolver la tubería 228 en una conexión térmicamente conductora.

Cuando se encuentra en uso y el sol brilla sobre la cara del tejado 110 de la Figura 1, la radiación solar pasa a través de las tejas transparentes 218a, 218b, 218c, etc. y desciende por las bandas de aluminio 214a, 214b, 214c, etc. que tienen una alta capacidad de absorción de radiación incidente y, por lo tanto, se calientan mucho. El calor de la banda 214a pasa por una conducción térmica a través de la tubería de cobre 228 y desde allí al agua que contiene. Este agua se utilizará para proporcionar calefacción a un lugar o como agua caliente. La tubería 228 se coloca de manera serpenteante a lo largo del tejado (se fabrica para que sea flexible o tiene conectores curvos en sus extremos) para que pase varias veces por cada espacio 226 entre la primera y segunda capa del tejado. De esta manera, la temperatura del agua se eleva un poco más.

También debe tenerse en cuenta que cada espacio 226 está cerrado eficazmente. El reborde 220 en el extremo superior de la teja 218b trabaja junto con el listón 216a para evitar cualquier convexión ascendente de aire desde el espacio 226. Hay una disposición similar en el extremo inferior de la teja 218b. Por lo tanto, el aire se mantiene en el espacio 226 para que proporcione una cubierta para evitar así la pérdida de calor.

Se ventila el espacio entre la capa interna y externa de la cara del tejado 110 para evitar los efectos nocivos que produce la humedad, especialmente los efectos que pueden producirse por la condensación. A continuación se describirán los medios para realizar lo antes mencionado y con relación a la Figura 3.

Como puede verse en la proyección horizontal de la Figura 3, cada banda de aluminio 214a, 214b y 214c (y otras bandas similares que cubren el tejado) se fabrica con segmentos transversalmente discontinuos y cada uno de ellos tiene 2000 mm de largo por 500 mm de ancho. Cada segmento es más largo que el ancho de las tejas en dirección transversal. Todas las bandas se superponen entre sí en sus extremos largos, que se extienden transversalmente a lo largo del tejado, y el ancho de la porción de cada segmento que no se superpone no supera la profundidad de las tejas en dirección descendente.

A lo largo de cada superposición, el extremo de la banda superpuesta se gira hacia arriba para sostener una tubería, como en 230 (Figura 2). Al lado de este borde, cada banda está conformada por una sección corrugada 240 que forman canales que corren de lado a lado de la banda (es decir, en dirección descendente de la pendiente del tejado inclinado). Estos canales ventilan el espacio entre las bandas de aluminio y las tejas que las recubren.

Los canales también proporcionan los medios para que la humedad, por ejemplo de la condensación, pueda drenarse a través de este espacio. Para continuar con el drenaje, se perforan los bordes levantados de las bandas de aluminio, tal como se indica en 242.

Por último, con respecto al drenaje, cualquier condensación que se produzca en la parte de abajo de la teja 218b correrá y se drenará del espacio a través del borde 224, que no posee una unión sellada con la teja contigua descendente 218c o puede crearse especialmente para proporcionar un conducto de drenaje. Esto, por supuesto, se aplica a cada teja del tejado.

Como puede verse en las Figuras 2 y 3, las bandas de aluminio 214a, 214b, 214c, etc. están formadas cada una con filas de nudos verticales 244 y 246 en donde las bandas se ordenan entre sí durante la colocación y los listones 216a, 216b, etc. posicionados.

Ahora se comprenderá que el sistema permite que prácticamente toda la cara del tejado 110 funcione como un colector solar y proporcione beneficios de aislamiento y ventilación efectivos.

La Figura 4 muestra una segunda forma de instalación de un tejado inclinado de acuerdo con el sistema, pero omitiendo los amarres para simplificar la ilustración. Esta forma de instalación tiene dos modificaciones importantes si se la compara con la de la Figura 2.

Primero, cada banda metálica absorbente 410 se coloca en la parte superior del listón 412a correspondiente y no debajo del mismo. (Con una capa aislante 414 entre los listones 412a y 412b, tal como se indica, el listón 410 debe ser sustancialmente piano). Segundo, la tubería 416 para el sistema de calefacción solar se sostiene en los soportes 418 que están sujetos a cada listón 410. (Una pasta térmicamente conductora puede colocarse entre la tubería y los soportes para mejorar la transferencia de calor).

Pueden realizarse distintas modificaciones del sistema, tal como se describe. Por ejemplo, las bandas de aluminio pueden reemplazarse por bandas de plástico sintético negro, que absorben la radiación solar. Dichas bandas son más económicas y pueden simplificar la colocación, pero pueden tener fallos de rendimiento debido a la ausencia de un acoplamiento conductor unido a la tubería para el líquido de transferencia de calor. Estas bandas (ya sean de metal o plástico) pueden moldearse para incorporar el conducto. Las tejas pueden fabricarse con vidrio u otro material que no sea policarbonato y pueden pintarse o tratarse con otro material para modificar la apariencia del tejado (siempre y cuando la capa del tejado continúe siendo capaz de absorber la energía solar). La capa del tejado también puede construirse para que bloquee cualquier pérdida de calor, por ejemplo, si se la construye con un recubrimiento reflectante por dentro. Las tejas pueden construirse, por ejemplo, con prismas de Fresnel para concentrar la radiación solar incidente en la tubería para el calentamiento del agua. Los listones pueden ser de madera, tal como es habitual, o de cualquier otro material adecuado. Los listones también pueden incluir el conducto. Las instalaciones que utilizan el sistema pueden utilizarse tanto para refrigerar o como para calentar, si se utilizan por la noche.

Claims (19)

1. Un tejado o una cara de pared (110) que consta de una serie de listones (216a, 216b) espaciados para formar una sede de recorridos transversales, de una serie de tejas (218a, 218b, 218c) reforzadas por los listones (216a, 216b) en los recorridos definidos por los mismos para proporcionar una capa externa de dicha cara (110) cuyas tejas (218a, 218b, 218c) deben poder absorber la radiación solar, de una serie de bandas (214a, 214b, 214c) colocadas una para cada recorrido para formar una capa interna prácticamente coextensiva con la capa externa cuyas bandas (214a, 214b 214c) absorben la radiación solar, y de un conducto (228) para un medio líquido de transferencia de calor de un sistema de calefacción solar que se extiende a lo largo de las bandas (214a, 214b, 214c) para que cuando esté en funcionamiento, el medio líquido se caliente cuando las bandas (214a, 214b, 214c) absorban la radiación solar incidente a través de las tejas (218a, 218b, 218c). En cada recorrido de la teja hay un espacio (226) y en dicho espacio se mantiene el aire por y a lo largo de la banda de ese recorrido, que se caracteriza porque dicho espacio se ventila mediante medios de ventilación formados en dicha banda.

2. Una cara de un tejado o de una pared (110), según la reivindicación 1, en la que se mantiene un recorrido de aire en cada espacio (226) a través de la cooperación entre los listones (216a, 216b), las tejas o las bandas (214a, 214b, 214c).

3. Una cara de un tejado o de una pared (110), según la reivindicación 1 o 2, en la que dicha capa externa se extiende sustancialmente por toda la cara (110).

4. Una cara de un tejado o de una pared (110), según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, donde el conducto (228) se extiende por cada espacio mencionado (226).

5. Una cara de un tejado o de una pared (110), según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, que incluye medios (230) en las bandas (214a, 214b, 214c) para sostener el conducto (228).

6. Una cara de un tejado o de una pared (110), según la reivindicación 5, que incluye soportes (418) sujetos a las bandas para sostener el conducto.

7. Una cara del tejado o de la pared (110), según la reivindicación 5, en la que los bordes (230) de las bandas se giran para sostener el conducto.

8. Una cara de un tejado o de una pared (110), según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en la que el conducto está conformado por una tubería flexible que se extiende continuamente a lo largo de todos los espacios mencionados.

9. Una cara de un tejado o de una pared (110), según las reivindicaciones 1 a 3, en la que las bandas se disponen para incluir un conducto.

10. Una cara de un tejado o de una pared (110), según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en la que cada banda está formada por secciones transversalmente discontinuas.

11. Una cara de un tejado o de una pared (110), según la reivindicación 10, en la que la dimensión total de cada sección de cada recorrido es mayor que la dimensión de cada teja en dirección transversal.

12. Una cara de un tejado o de una pared (110), según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en la que las bandas se superponen entre sí a lo largo de los bordes transversales y, en cada recorrido, el ancho de la porción que no se superpone no supera la dimensión total de cada teja en una dirección ortogonal a la transversal que corre a lo largo de dicha cara.

13. Una cara de un tejado o de una pared (110), según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en la que los listones recubren las bandas.

14. Una cara de un tejado o de una pared (110), según las reivindicaciones de la 1 a la 12, en la que las bandas recubren los listones.

15. Una cara de un tejado o de una pared (110), según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en la que cada banda tiene un borde a través del cual se sujeta a un listón cuyo borde es corrugado para proporcionar dichos medios de ventilación.

16. Una cara de un tejado o de una pared (110), según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en la que las bandas se forman y se disponen para crear un desagüe (242) para la humedad que se acumula en dichos lugares.

17. Una cara de un tejado o de una pared (110), según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, que incluye una capa de material térmicamente aislante (210) que sostiene estas bandas.

18. Una cara de un tejado o de una pared (110), según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, que incluye una membrana semiporosa que sostiene las bandas.

19. Una cara de un tejado o de una pared (110), según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, que mira generalmente hacia el Ecuador.