ES2304871A1 - Cerramientos transparentes o translucidos activos con capacidad de ge stion energetica. - Google Patents
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Abstract
Cerramientos transparentes o translúcidos activos con capacidad de gestión energética. Cerramiento constituido por láminas transparentes o translúcidas que forman una cámara (1) por la que circula un líquido en circuito cerrado que cede o absorbe energía de los ambientes exterior e interior, un intercambiador de calor (2) en contacto con el líquido, una bomba de circulación (3) y un dispositivo reductor de la presión hidrostática (4). El dispositivo reductor de la presión hidrostática permitirá reducir los espesores de las láminas transparentes que contienen el líquido. El carácter activo del cerramiento está asociado a su capacidad de controlar la carga térmica solar y la iluminación. La carga térmica solar es regulada a través del intercambiador de calor. El control de la iluminación del edificio se hace mediante la transparencia regulable del líquido. El dispositivo así formado permitirá crear una envolvente isoterma que permite climatizar una edificación. El sistema podrá ser usado paracerramientos activos al exterior o particiones interiores para la climatización y el control lumínico, así como para cubiertas acristaladas o falsos techos.
Description
Cerramientos transparentes o translúcidos
activos con capacidad de gestión energética.
La invención se encuadra en el sector técnico de
la edificación así como en el sector de la climatización. En
concreto, la aplicación se centra en cerramientos transparentes o
translúcidos capaces de controlar la carga térmica tanto exterior
como interior y la iluminación de la edificación con objeto de
producir ahorro energético en climatización y mejora de las
condiciones de confort.
El uso masivo en la arquitectura contemporánea
de cerramientos acristalados ha originado grandes consumos de
energía en la edificación y una importante reducción de las
condiciones de confort. El escaso aislamiento que producen estos
huecos acristalados y la permeabilidad incontrolada de la radiación
solar son la causas de su mal comportamiento energético. La
imposición a nivel mundial del ahorro energético en la edificación,
motivado por la carencia de energía y por la reducción de la
contaminación, ha lanzado en los últimos años el desarrollo de
cerramientos transparentes inteligentes que permitan controlar la
entrada de la iluminación y la radiación solar directa.
Dentro de estos nuevos cerramientos
transparentes, se han desarrollado cerramientos que permiten
aumentar el nivel de aislamiento térmico mediante la inclusión de
láminas y materiales diversos formando un panel multicapa como se
describe en los documentos de patente: FR2828509, DE10034764,
DE19829480, DE19847634. Otro tipo de desarrollo de cerramientos
transparentes inteligentes trata de buscar el control de la
iluminación y de la carga térmica mediante uno o varios fluidos de
diferentes colores, fluidos con propiedades de transparencia
variable o mediante cortinas integradas en el cerramiento. Como
ejemplos de estas realizaciones caben destacar los documentos de
patente: US4347835, DE3716563, EPO402529, EP1367210, ES2158757,
US4347835, WO200604587, DE10351023, DE3716563, DE3818543,
WO9963195. Otro grupo de acristalamientos activos incluye un fluido
en circulación y en contacto con un intercambiador de calor. Estos
acristalamientos permiten controlar la carga térmica a la vez que se
pueden convertir en superficies radiantes para enfriar o calentar.
Ejemplos de estas realizaciones son los documentos de patente:
EP0075464, US4515150, DE19926343, DE4107943, ES2180444. Por último,
otro grupo de acristalamientos resuelve el control de la
iluminación mediante la inclusión de una lámina electrocrómica
adherida a las láminas transparentes. Ejemplos de estas
realizaciones son los documentos de patente: DE10023765,
US2005200935, WO2005076061, US2005117193.
Sería por lo tanto deseable disponer de un
cerramiento transparente inteligente que permitiera regular la
iluminación de una edificación y bloquear o controlar la entrada o
salida del calor mediante una envolvente isoterma, todo ello
realizado con un sistema o cerramiento transparente económico, de
reducido espesor y modular. La necesidad de controlar la radiación
solar con el transporte convectivo de una cámara de pequeño espesor
hace necesario pensar en un fluido en circulación con una elevada
capacidad calorífica y, en consecuencia, con una elevada densidad
como es un líquido. La presión hidrostática generada en un
cerramiento vertical por la cámara de líquido exige unos espesores
grandes para las láminas transparentes que hacen inviable la
solución así adoptada.
La presente invención se centra en la reducción
de la presión hidrostática que soportan las láminas transparentes a
consecuencia del líquido en el circuito cerrado. La reducción de la
presión hidrostática y, en consecuencia, de los espesores de las
láminas transparentes permite obtener un sistema económico de
cerramiento inteligente con capacidad gestora de energía lumínica y
calorífica. La invención que aquí se describe presenta cuatro
ventajas fundamentales frente a invenciones similares descritas
anteriormente. La primera ventaja es permitir que una parte
importante de la energía radiante incidente pueda ser bloqueada y
transmitida a otro sistema, evitando el incremento térmico en el
interior. La segunda ventaja es el dispositivo reductor de la
presión hidrostática, que permite reducir los espesores de las
láminas que contienen el líquido y con ello su coste y peso. La
tercera ventaja es energética, ya que las necesidades de energía
para climatizar el interior del edificio se reducen
significativamente, consiguiéndose un ahorro de climatización o de
calefacción. La cuarta ventaja es el diseño modular, que permite
una construcción independiente y una mantenibilidad del sistema. La
rotura de un módulo, no producirá el fallo del sistema completo, y
este fallo podrá ser reparado independientemente sin afectar al
funcionamiento del resto de la estructura.
Los cerramientos transparentes activos con
capacidad de gestión de energía calorífica y lumínica se
caracterizan por disponer de un fluido que, mediante el transporte
convectivo del calor, se encarga de gestionar la energía calorífica,
y de un sistema de oscurecimiento que se encarga de controlar la
iluminación. El carácter activo del cerramiento está asociado a su
capacidad de controlar la carga térmica solar incidente y la
iluminación mediante un sistema de regulación externo. Para poder
realizar el transporte convectivo del calor con una cámara de
pequeño espesor, el fluido debe ser un líquido. La presión
hidrostática que crea el líquido en un cerramiento vertical exige
que los espesores de las láminas transparentes sean grandes, con lo
que la solución es económicamente inviable.
La presente invención trata de resolver los
problemas anteriores mediante un cerramiento transparente activo
compuesto por dos láminas transparentes fijadas a un bastidor a
través del cual circula un líquido en circuito cerrado, y un
dispositivo reductor de la presión hidrostática conectado al
circuito cerrado. El bastidor, además de ser un elemento
estructural que permite unir las dos láminas transparentes, es parte
del circuito cerrado del sistema. La cámara (1) formada por las dos
láminas transparentes es alimentada por un distribuidor (5) a
través de unos orificios de entrada (6). El líquido atraviesa los
orificios de salida (7) y es recogido por el colector (8). La salida
del colector está conectada a una bomba de circulación (3), la cual
impulsa el líquido hacia el intercambiador de calor (2). Finalmente,
la salida del intercambiador de calor está conectada directamente
al distribuidor.
En verano, el intercambiador de calor permite
absorber la carga térmica absorbida por el líquido a su paso por la
cámara. En invierno, el intercambiador de calor cede calor al
líquido para posteriormente éste liberarlo al espacio interior de la
edificación. De esta forma, la cámara se comporta como un panel
radiante frío o caliente en el interior de la edificación. La
temperatura del líquido de la cámara se controla con la velocidad de
circulación gobernada por la potencia de la bomba de circulación, y
por la temperatura del intercambiador de calor conectado a un foco
frío o foco caliente.
Con objeto de reducir la presión hidrostática en
el circuito cerrado y, en consecuencia, poder reducir los espesores
de las láminas transparentes, el propio bastidor dispone de un
dispositivo reductor de la presión hidrostática (4) conectado a la
cámara a través de una perforación (9). De esta forma, la presión
hidrostática del punto inferior de la cámara es regulada por la
altura de la columna de líquido (10). La altura de la columna de
líquido se optimiza de manera que los esfuerzos a los que se ven
sometidos las láminas transparentes es mínimo.
En el caso en el que el cerramiento se disponga
horizontalmente para su utilización en cubiertas acristaladas o
falsos techos de edificios, el dispositivo reductor de la presión
hidrostática (4) puede ser omitido.
Además, este cerramiento puede ser usado para
formar particiones interiores para la climatización y el control
lumínico del interior del edificio.
Con objeto de regular la iluminación de la
edificación, se controla el color y la transparencia del líquido
que fluye por el circuito cerrado.
Figura 1: Sección longitudinal del bastidor y
descripción de los elementos necesarios para el llenado, la
circulación del líquido y la reducción de la presión hidrostática
entre las dos láminas transparentes.
Figura 2: Sección transversal por el bastidor y
las láminas transparentes.
Figura 3: Esquema de la distribución de presión
hidrostática producida por el líquido en la cámara sin dispositivo
reductor de la presión hidrostática.
Figura 4: Esquema de la distribución de presión
hidrostática producida por el líquido en la cámara con dispositivo
reductor de la presión hidrostática.
Para exponer un modo de realización, se elige un
cerramiento para formación de fachadas al exterior. En este caso,
el sistema incorpora un acristalamiento doble con cámara de gas
(11) que aumenta la función aislante y que está en contacto con el
exterior. Si el sistema se usara para formar una partición interior,
no sería necesaria la inclusión del acristalamiento doble con
cámara de gas, y las dos caras de la cámara de agua se comportarían
como superficies radiantes al interior de la edificación.
Se construye un bastidor de aluminio a partir de
perfiles rectangulares huecos: los dos tramos horizontales
constituyen el distribuidor (5) y el colector (8) y uno de los
tramos verticales constituye el dispositivo reductor de la presión
hidrostática (4). A continuación se fija el acristalamiento doble
por un lado del bastidor y por el otro dos láminas de vidrio
pegadas entre sí mediante un butiral de polivinilo (12). En este
modo de realización se elige un butiral de color para controlar de
forma estática la iluminación.
El distribuidor tiene practicados en su cara
superior una serie de orificios de entrada (6) que permiten el paso
del agua a la cámara (1) formada por las láminas de vidrio y el
bastidor. A su vez, el colector tiene en su cara inferior una serie
de orificios de salida (7) que permiten la recogida del agua para
su posterior retorno. El diámetro y la distancia a la que se
encuentran los orificios tanto del distribuidor como del colector se
optimizan para homogeneizar el flujo en la cámara y reducir la
pérdida de carga localizada. El dispositivo reductor de la presión
hidrostática sólo se comunica con el circuito cerrado a través de
una perforación (9) localizada en la parte inferior de la cámara, y
el líquido en su interior no circula.
El agua recogida por el colector es llevada
hasta una bomba de circulación (3), la cual impulsa el agua a
través de un intercambiador de calor (2). Finalmente, la salida del
intercambiador de calor es conectada al distribuidor. El sistema así
descrito forma un circuito cerrado.
Se procede al llenado del sistema a través de la
válvula de llenado (13). El purgador (14) permite la salida del
aire que es evacuado por el llenado del sistema. Durante el proceso
de llenado, el aliviadero (15) permanece cerrado. Debido a la
presión hidrostática que se origina en la cámara, cuya distribución
vertical se muestra en la figura 3, las láminas de vidrio se abomban
hacia el exterior. Así, el volumen del agua que se introduce es
superior al que le correspondería si las láminas permanecieran
planas. Al concluir el llenado se cierran la válvula de llenado y
el purgador. Mediante la apertura del aliviadero, se descarga el
agua sobrante del sistema aliviando el abombamiento inicial. El
aliviadero permanece abierto hasta que la altura de la columna de
agua iguala a la del aliviadero. La altura final de la columna del
agua se optimiza para reducir la flecha y, en consecuencia, los
esfuerzos en las láminas de vidrio. Desde el punto de vista de
presiones, la presión neta que recibe cada lámina de vidrio es una
distribución triangular como se muestra en la figura 4.
La componente infrarroja de la radiación solar
incidente es absorbida por el agua que es impermeable al infrarrojo.
La energía asociada al espectro visible es absorbida en parte por
la lámina de color del butiral. De esta manera, la radiación se
transforma en energía calorífica que eleva la temperatura del agua.
La circulación forzada del agua transporta el calor absorbido hasta
el intercambiador de calor. El intercambiador de calor se encarga de
enfriar el agua antes de su retorno a la cámara. Para niveles de
radiación solar entre 500-1000 W/m^{2}, un caudal
de agua en la cámara entre 0.05-0.1 kg/(s m^{2})
es suficiente para transportar todo el calor absorbido por el agua y
asegurar variaciones de temperatura del agua en la cámara menores
de dos grados centígrados. De esta manera, se consigue una cámara
de agua isoterma que bloquea el paso de la radiación infrarroja y
parte de la radiación visible.
En ausencia de radiación solar exterior, se hace
circular agua por la cámara a una temperatura específica controlada
por la temperatura del intercambiador de calor. Dependiendo de la
temperatura del agua, la cámara radiante refrigerará o calentará el
espacio interior. El acristalamiento doble aislante reduce la
pérdida por radiación que se produce hacia el exterior.
La presente invención se podrá utilizar en el
sector de la construcción, para obra nueva y rehabilitación de
cualquier tipo de edificio. Permitirá realizar todo tipo de
cerramientos transparentes o translúcidos: ventanas, balcones,
invernaderos, lucernarios, muros cortina acristalados, particiones
interiores, vitrinas, escaparates y expositores, tanto interiores
como exteriores.
Claims (8)
1. Cerramiento activo para uso en la edificación
caracterizado porque se compone de dos láminas transparentes
fijadas a un bastidor a través del cual circula un líquido en
circuito cerrado que cede o absorbe energía de los ambientes
exterior e interior, y un dispositivo reductor de la presión
hidrostática en el circuito cerrado.
2. Cerramiento activo según la reivindicación 1
caracterizado porque el circuito cerrado se compone de una
cámara (1) de líquido alimentada por un distribuidor (5) conectado
a la cámara anterior a través de unos orificios de entrada (6), un
colector (8) que recoge el fluido saliente de la cámara a través de
unos orificios de salida (7) y cuya salida está conectada a una
bomba de circulación (3), que impulsa el fluido a través de un
intercambiador de calor (2), cuya salida está conectada al
distribuidor (5), y un dispositivo reductor de la presión
hidrostática (4) conectado a la cámara a través de una perforación
(9).
3. Cerramiento activo según las reivindicaciones
1 y 2 caracterizado porque el dispositivo reductor de la
presión hidrostática alberga una columna de líquido (10) cuya
altura se optimiza de manera que los esfuerzos a los que se ven
sometidos las láminas transparentes es mínimo.
4. Cerramiento activo según las reivindicaciones
1 a 3 caracterizado porque puede ser dispuesto en horizontal
para su utilización en cubiertas acristaladas o falsos techos de
edificios, en cuyo caso el dispositivo reductor de la presión
hidrostática (4) puede ser omitido.
5. Cerramiento activo según las reivindicaciones
1 a 3 caracterizado porque puede ser usado formando
particiones interiores para la climatización y el control lumínico
en el interior del edificio.
6. Cerramiento activo según las reivindicaciones
1 a 3 caracterizado porque en una realización preferida para
su uso en fachadas exteriores la lámina transparente en contacto con
el exterior es sustituida por un acristalamiento doble con cámara de
gas (11) para lograr un mayor aislamiento.
7. Cerramiento activo según las reivindicaciones
1 a 3 caracterizado porque en una realización concreta una
de las láminas transparentes es sustituida por una doble lámina
transparente pegada entre sí por un butiral de polivinilo de color
(12) con el fin de controlar de forma pasiva la iluminación del
edificio.
8. Cerramiento activo según las reivindicaciones
1 a 3 caracterizado porque en una realización preferida el
color y la transparencia del líquido pueden ser regulados con el
fin de controlar de forma activa la iluminación del edificio.
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