ES2934703T3 - Paneles en sándwich de tejado para servir como colectores térmicos - Google Patents

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Abstract

El objeto de la presente solicitud es una disposición de paneles sándwich ya utilizados en edificios de manera que sean capaces de recoger la radiación solar y el calor ambiental y transferir la energía fuera del tejado. Los elementos estructurales de la presente invención consisten en un núcleo termoaislante intercalado entre láminas exterior e interior con capacidad portante, similar a la composición de los conocidos paneles sándwich portantes. Ya sea que los perfiles de chapa se coloquen en la dirección de la viga de cumbrera o de las vigas, con el conjunto adecuado de ellos, se crea una estructura hueca en la superficie y en el núcleo del panel en la dirección de las vigas, en toda la longitud. del techo, funcionando como caminos para los materiales gaseosos (conductos de aire (1, 4)). Si estos conductos de aire, tanto externos como internos, están conectados en el extremo uno frente al otro, es decir, en la cámara de giro de aire superior (8), la sustancia en ellos comenzará a fluir por sí sola utilizando únicamente fuerzas gravitatorias en reacción al calor que llega a la superficie externa del panel, es decir, el metal perfilado externo hoja (2). Si un punto dado del panel es enfriado por el intercambiador de calor (6), el flujo espontáneo permanecerá continuo. El enfriamiento transporta el calor acumulado en los conductos de aire (conducto de aire caliente (1) y conducto de aire frío (4)) fuera del sistema, y este calor se utiliza para satisfacer nuestras necesidades energéticas. El objeto de la solicitud es, por tanto, un panel sándwich que funciona como colector térmico, en adelante panel sándwich colector de calor (3), que sirve como estructura de cubierta de un edificio, o es una parte integral de la estructura del techo y cumple sin falta todos los requisitos de protección establecidos para las construcciones de techo. Debido a su diseño especial, es capaz de recoger el calor ambiental y transferir este calor al almacenamiento de calor mediante el uso de aparatos auxiliares conocidos y compatibles. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN
Paneles en sándwich de tejado para servir como colectores térmicos
El objeto de la invención es una disposición de paneles en sándwich utilizados como estructura de tejado ya utilizados en edificios de forma que sean capaces de obtener radiación solar y energía térmica ambiental y transferir la energía fuera del tejado. El objetivo de la invención es también el método para el uso de la disposición.
Dado que el suministro de combustibles fósiles es finito, conviene incluir la energía solar como fuente para el suministro energético de viviendas y otros edificios. Ya se han elaborado varias soluciones destinadas a hacer esto, tal como, por ejemplo, en forma de un equipo auxiliar que se puede instalar en el tejado del edificio, o un equipo que utiliza recursos energéticos formado y dispuesto al lado del edificio.
La utilización de la energía renovable alimentada por el sol también se puede realizar en las inmediaciones físicas directas de los edificios, por ejemplo: colectores solares, paneles solares, bombas de calor colocadas o perforadas en el suelo que rodea las viviendas, o bombas de calor atmosféricas bidireccionales, etc. El consumo de energía se puede reducir mejorando el aislamiento térmico de los edificios (viviendas pasivas) o utilizando un sistema que utiliza la energía obtenida del entorno en el sitio, recuperando periódicamente parte de dicha energía a la red (vivienda activa).
Productos de fabricantes de paneles de tejado en sándwich como Kingspan en Irlanda, Lindab en Suecia, Metalsheet en Hungría, encajan en la línea de "vivienda pasiva". Por lo general, sus productos vienen con una amplia selección de valores de aislamiento térmico.
También hay varios fabricantes que atienden el mercado de "viviendas activas". Se deben mencionar los colectores solares como una de las muchas soluciones para recoger energía en el sitio cerca del edificio.
Los colectores solares se pueden agrupar en función de dos principios principales de funcionamiento.
a) Según una solución generalmente usada, un líquido circula en un tubo incrustado en varios materiales absorbentes de calor, dispuestos en varios marcos instalados posteriormente en el tejado, dicho líquido, cuando se calienta, lleva el calor desde el panel a otras unidades que utilizan el calor. Un fabricante conocido: Vaillant en Alemania (EP2015000(A2) [14.01.2009] "Marco con tubo absorbente solar y medios de recepción"; DE10258711(A1) [12.12.2002] "Unidad de colector solar tiene varios colectores tubulares fijados en un cuerpo de colector principal que está formado por una sección perfilada de fundición extrudida").
El documento US 4.237.866 divulga un calentador solar con una pluralidad de pasos de líquido. El líquido se calienta solo mediante radiación de energía solar, a través de una pluralidad de placas de cubierta transparentes hechas de vidrio. Debido a las múltiples capas que tiene que atravesar la radiación solar, la eficiencia del calentador solar es baja. Además, el calentador no es una parte inherente del tejado.
De acuerdo con la solución divulgada en el documento US 4.135.490, titulado "Colector de energía solar de convección natural recirculante", se forma un intercambiador de calor que comprende espacios separados por placas en un marco cubierto por una placa transparente en el lado frontal y placas no transparentes en los otros lados. Se genera una circulación de líquido en el intercambiador de calor así formado y el calor absorbido se puede transferir y utilizar continuamente. Este dispositivo tiene las mismas desventajas, a saber, que las placas múltiples reducen la eficiencia. Una solución similar se propone en el documento US 3.987.782, titulado "Soporte de calor solar". Ambos documentos de patente comprenden la descripción y la formación de unidades intercambiadoras de calor aplicadas por separado que pueden instalarse en los tejados de edificios residenciales.
El documento US 4.284.066 también divulga un "Calentador solar de líquidos", que comprende varias capas de placas de absorción de calor y cubierta que reducen la eficiencia del dispositivo. La capa superior es de vidrio o plástico. Este dispositivo también está diseñado para construirse sobre el tejado, en lugar de ser parte integral del tejado y de la estructura de soporte.
El documento US 2011/297297A1, titulado "Panel" divulga un panel aislante compuesto que comprende una primera lámina, una segunda lámina y un cuerpo de espuma aislante y se refiere a un método para fabricar dicho panel aislante compuesto que comprende dos láminas y un cuerpo de espuma aislante entre dichas láminas.
b) Los colectores solares de tubos de vacío muestran una solución más eficiente: se genera un vacío entre dos tubos de vidrio, uno insertado en el otro y sellado en el extremo. El vacío entre los dos tubos proporciona una función de aislamiento térmico. El tubo interior cerrado contiene un líquido que se evapora cuando le da el sol, luego entrega calor al condensarse en el extremo frío del tubo. La transferencia de calor está permitida por la energía de cambio del estado de condición de la sustancia. Este sistema también se monta en un panel. Además de sus muchas ventajas, solo se utiliza la energía irradiada por el sol, el calor ambiental no se puede utilizar debido a la propiedad aislante del vacío. Una solución similar se divulga en el documento EP 0 025 305 (A1) [18.03.1981], titulado "Absorbedor de energía electromagnética".
También deben mencionarse los paneles solares que convierten la energía solar directamente en energía eléctrica, ampliamente utilizados basándose en los métodos de aplicación de semiconductores desarrollados en el siglo XX. Entre otros, el documento US 2005081908 (A1) [21.04.2005], titulado "Método y aparato para la generación de energía eléctrica a partir de energía solar" describe tal solución. La desventaja de las soluciones anteriores es que solo utilizan una pequeña parte de la superficie útil del edificio para obtener energía. Además, también es desventajoso que utilicen principalmente la energía irradiada por el sol, mientras que la energía ambiental no se utiliza, o se utiliza en una medida muy pequeña.
Otra desventaja de las soluciones anteriores es que no forman parte del edificio; están formadas por unidades que se pueden montar en un edificio existente y por otros equipos que se les pueden unir. Su uso no permite reducir el coste de construcción.
Para eliminar las desventajas mencionadas anteriormente, se propone una nueva solución basada en el reconocimiento de que la estructura del tejado de un edificio puede diseñarse de modo que la mayor parte de la superficie del tejado o toda la superficie del tejado consista en paneles de techo de intercambio de calor, que se describirá con detalle a continuación, funcionando como colectores de calor y capaces de cumplir con todos los requisitos estructurales establecidos para los elementos, y al mismo tiempo pueden absorber y utilizar el calor ambiental además del calor irradiado. Además, no es necesario utilizar ninguna placa de cubierta exterior transparente; mediante el uso de una placa de cubierta de lámina metálica perfilada que sirve como absorbente de calor o de espuma metálica acanalada conductora de calor, también se puede utilizar el calor ambiental.
La invención se define mediante las reivindicaciones adjuntas y es una disposición de paneles en sándwich que comprende un material termoaislante dispuesto entre láminas con capacidad de soporte de carga, similar a los paneles en sándwich de soporte de carga conocidos. Tanto si los perfiles de lámina se colocan en la dirección de la viga de cumbrera o de las vigas de apoyo, con el ensamblaje apropiado de los mismos, se forman estructuras huecas en la superficie y en el núcleo del panel en la dirección de las vigas, a lo largo de toda la longitud de las vigas del tejado, funcionando como vías para el material aeriforme en conductos de aire. Si estos conductos de aire, tanto en el exterior como en el núcleo, están conectados en el extremo uno frente al otro, la sustancia en los mismos comenzará a fluir por sí sola utilizando únicamente fuerzas gravitatorias en reacción al calor que llega a la superficie externa del panel. Si en un punto dado del panel la sustancia se enfría, el flujo espontáneo permanecerá continuo. A través del enfriamiento, el calor recogido en los conductos de aire se transporta fuera del sistema, y este calor podría utilizarse también para proporcionar energía para nuestras necesidades.
Por lo tanto, el objeto de la solicitud es un panel en sándwich utilizado como estructura de tejado que funciona como colector térmico, formando físicamente la estructura del tejado de un edificio y formando parte integral de la estructura del tejado, cumpliendo sin fallos todos los requisitos de protección establecidos para las construcciones de tejado, respectivamente. Debido a su diseño especial, también es capaz de absorber el calor ambiental y transferir este calor a un almacenamiento de calor mediante el uso de un aparato auxiliar compatible conocido.
La energía irradiada ya fue utilizada por el hombre de las cavernas, cuando dio la espalda al sol, mientras que el principio del intercambiador de calor recirculante ha sido utilizado por la humanidad durante unos cien años. En comparación con otras patentes conocidas de paneles solares, la esencia de mi invención es una disposición espacial completamente diferente y nueva, en la que un tejado, en comparación con las estructuras de tejado tradicionales de los edificios, es capaz de recoger y transmitir energía ambiental e irradiada con la ayuda de una nueva disposición de paneles de tejado.
El altillo o el edificio en sí está cubierto por los paneles en sándwich de nuevo desarrollo, encajados y ensamblados entre sí a lo largo de sus lados; formando los paneles el tejado, es decir, son una parte estructural del edificio. La absorción de calor en una gran superficie, y el uso de una bomba de calor, proporciona una cantidad significativa de energía térmica incluso en tiempo nublado, incluso con diferencias de temperatura moderadas.
La invención se describirá con más detalle a continuación:
Divulgación de las figuras
Lista de signos de referencia en los dibujos
1 - conducto de aire caliente
2 - lámina de metal
3 - panel en sándwich
4 - conducto de aire frío
5 - aislamiento térmico
6 - dispositivo de refrigeración
7 - cámara de inversión de aire inferior
8 - cámara de inversión de aire superior
9 - orificio de drenaje de condensado
a - distancia entre conductos de aire frío
b, c, e - dimensiones de la lámina trapezoidal
d - espesor del panel de aislamiento térmico
f - espesor total de la estructura de panel
51 - sección transversal del conducto de aire caliente
52 - sección transversal del conducto de aire frío
La figura 1 muestra la disposición del panel en sándwich 3 que forma la estructura de tejado de un edificio.
La figura 2 muestra el principio de funcionamiento del panel en sándwich 3 que constituye la estructura de tejado de un edificio.
Las figuras 3, 4 y 5 muestran tres secciones transversales de paneles en sándwich diferentes que representan implementaciones ventajosas de la invención. Por supuesto, mediante el uso de la invención se pueden formar otros perfiles de láminas.
La figura 6 muestra la cámara de inversión de aire superior 8 y su ubicación, parcialmente oculta por el intercambiador de calor interno y representado por una línea de puntos en disposiciones favorables del tejado a dos aguas.
La figura 7 muestra la cámara de inversión de aire inferior 7 y su ubicación.
Breve descripción general
La invención está definida por las reivindicaciones adjuntas. En el plano del panel en sándwich 3, hay dos filas de conductos dispuestos, una fila de conductos de aire caliente 1 y conductos de aire frío 4, que se extienden en paralelo en la dirección de las vigas. El lado exterior de la fila de conductos de aire caliente 1 está cubierto con una lámina de metal exterior perfilada 2 que tiene una superficie exterior hecha de materiales estructurales conocidos capaces de absorber la radiación solar y el calor ambiental. Se divulga la lámina de metal corrugado, una lámina de metal perfilada trapezoidal o forma de espuma de aluminio. Entre las filas de conductos de aire caliente 1 y de conductos de aire frío 4, y en el lado interior del panel en sándwich 3 se dispone el aislamiento térmico 5 (figuras 3, 4 y 5). Se divulga que el aislamiento térmico 5 está formado por una sola pieza (figura 4). El aislamiento térmico 5 está formado por piezas separadas que están conectadas entre sí (figuras 3 y 5) formando una estructura de tipo sándwich. En los extremos inferior y superior del panel de tejado 3, hay cámaras de inversión de aire 7, 8 (figuras 6 y 7), situadas en la cumbrera y la correa que ofrece una conexión combinada de conductos de aire caliente 1 y conductos de aire frío 4, ya que tanto la cámara de inversión de aire inferior 7 como la cámara de inversión de aire superior 8 se extienden a lo largo de la cumbrera y la correa, respectivamente.
En la cámara superior de inversión de aire 8 del panel en sándwich 3 está dispuesto un dispositivo de refrigeración 6 que comprende un medio de refrigeración en circulación para descargar el calor del sistema, donde los dedos en forma de U del dispositivo de refrigeración 6 están situados en el extremo superior de los conductos de aire frío 4 (figuras 2 y 6).
Descripción detallada de la función de la invención
La invención está definida por las reivindicaciones adjuntas. El lado exterior del conducto de aire caliente 1 sirve para absorber la radiación solar y el calor ambiental a través de la lámina de metal perfilada exterior 2. Las filas de conductos de aire frío 4 están situadas en el interior del panel en sándwich 3, separadas así mediante el aislamiento térmico 5 del interior del edificio. Los conductos de aire caliente 1 y los conductos de aire frío 4 atraviesan el panel de tejado 3 en la dirección de las vigas, desde la parte inferior del plano del tejado hasta la cumbrera. En los extremos inferior y superior del panel de tejado 3, se forman cámaras de inversión de aire inferior y superior 7, 8, que posibilitan la circulación del medio por el interior del panel de tejado 3. La circulación del medio en los conductos de aire caliente 1 y de aire frío 4 se produce por gravedad o por circulación forzada en caso de necesidad.
El dispositivo de refrigeración 6 está situado en la cámara de inversión de aire superior 8 (punto caliente), que sirve para extraer calor, con un medio de refrigeración conocido ampliamente utilizado circulando en el mismo, y se divulga que se puede conectar en el lado frío de una bomba de calor.
El medio, que se ha calentado, sube en el conducto de aire caliente 1 mientras que el medio, que se ha enfriado, desciende en el conducto de aire frío 4.
El panel en sándwich 3 puede formarse usando diversos materiales estructurales, tal como metales, láminas perfiladas y materiales de aislamiento térmico, adecuados para la delimitación con aislamiento térmico del espacio exterior e interior del edificio, formando una estructura de panel en sándwich de autosoporte y con un dimensionado adecuado, funcionando también como elementos de tejado soportados ya sea por correas o vigas de acuerdo con los requisitos de la estática. Por lo tanto, no es necesaria la instalación de vigas o correas adicionales en la estructura de tejado.
La lámina de metal perfilada de limitación exterior 2 es una lámina de metal de conductividad térmica adecuada, calentándose con la radiación incidente y transmitiendo el calor externo a los conductos de aire vecinos, además, se divulga que la lámina de metal se forma como una lámina de perfil en sección y/o acanalada para resistir la dilatación térmica y aumentar la rigidez. Por supuesto, el uso de láminas perfiladas también aumenta la superficie de transferencia de calor y la radiación no perpendicular al plano del tejado se puede utilizar mejor con una mayor eficiencia.
La interconexión de los componentes del panel en sándwich 3, como las láminas de cubierta exteriores e interiores y los conductos de aire caliente y frío 1,4 mediante materiales mecánicos no conductores del calor tal como tornillos de plástico o elementos conformados, aumenta significativamente la resistencia estructural del panel en sándwich 3, posibilitando la formación de una estructura de panel para optimizar el espesor de las láminas y permitir mayores espacios.
A continuación se mostrarán dos ejemplos para dimensionar el panel en sándwich colector de calor 3 de acuerdo con la invención. La invención no está restringida por los ejemplos a las formas dadas, medidas, dimensiones y se pueden redimensionar utilizando cálculos simples y experimentaciones de acuerdo con los requisitos dados, teniendo en cuenta las características de los materiales utilizados.
Ejemplo 1 (figura 3): los conductos de aire frío y caliente 1,4 tienen secciones transversales hexagonales
Figure imgf000005_0001
Ejemplo 2 (figura 4): el conducto de aire caliente 1 está formado por conductos de sección hexagonal, el conducto de aire frío 4 está formado por conductos de sección circular
Figure imgf000005_0002
El medio de transferencia de calor en los conductos de aire caliente y frío 1,4 está bajo presión atmosférica o diferente, circulando por gravedad o por fuerza. El medio de transferencia de calor circulante se puede elegir entre diferentes sustancias. El medio de transferencia de calor es una sustancia gaseosa, en una realización, el medio de transferencia de calor es incluso más preferentemente aire atmosférico. En una realización, se perforan pequeños orificios en la parte inferior de la cámara de inversión de aire inferior 7, creando el orificio de drenaje de condensación 9, para permitir que la condensación se drene del sistema. La operación de la invención, usando aire como medio de transferencia de calor:
El medio en el conducto de aire caliente 1 asume la temperatura de la lámina de metal perfilada de limitación exterior 2, se divulga una lámina de metal acanalada. Como resultado del calor, el medio se expande y su densidad disminuye. El medio más pesado en el conducto de aire frío 4 hace un esfuerzo para ocupar el lugar del medio caliente a través de la cámara de inversión de aire inferior 7 y empuja el medio caliente hacia la cámara de inversión de aire superior 8 del panel en sándwich 3.
En la cámara de inversión de aire superior 8, el aire caliente pasa su calor al dispositivo de refrigeración 6 y mientras se enfría su volumen disminuye. Como su densidad aumenta, se hunde en el conducto de aire frío 4. El calentamiento y enfriamiento continuos da como resultado una autocirculación del medio en los conductos de aire frío y caliente 1, 4. El calor absorbido por el líquido en el dispositivo de refrigeración 6 puede utilizarse para otros usos conocidos, en una realización en almacenamiento adicional en un tanque de agua caliente, utilizando otras tecnologías para el suministro de agua caliente al hogar, calentar el edificio, o incluso generar energía eléctrica.
También es posible utilizar el panel en sándwich 3 para calentar agua u otras sustancias conocidas que almacenan calor.
Una vez que la utilización dentro del edificio no requiera una mayor absorción de calor, unas ventanas de ventilación situadas en el extremo de las cámaras de inversión de aire inferior y superior 7, 8 se abrirán de manera controlada, dando como resultado un flujo libre fuera del medio caliente, aire, desde el panel a través de la ventana superior. De esta forma, el flujo de aire transporta el calor del panel al entorno y se puede evitar el aumento de la carga térmica del edificio.
Por supuesto, el panel de tejado 3 se puede usar en tejados con diferentes pendientes. Como es bien sabido, la pendiente y la orientación del tejado tienen una gran influencia en el máximo rendimiento posible.

Claims (11)

REIVINDICACIONES
1. Disposición de un panel en sándwich utilizado como estructura de tejado de un edificio para utilizar la energía solar irradiada y calor ambiental, comprendiendo la disposición:
un panel en sándwich (3) que comprende:
aislamiento térmico (5);
al menos una fila de conductos de aire caliente y al menos una fila de conductos de aire frío llenos de medio gaseoso;
una cámara de inversión de aire inferior (7) y una cámara de inversión de aire superior (8), formadas en los extremos inferior y superior del panel en sándwich (3);
comprendiendo además la disposición:
un dispositivo de refrigeración (6) situado en la cámara de inversión de aire superior (8), comprendiendo el dispositivo de refrigeración (6) un medio de refrigeración que fluye para descargar el calor,
en donde
la al menos una fila de conductos de aire caliente y la al menos una fila de conductos de aire frío están situadas en el plano del panel en sándwich (3) y están dispuestas en la dirección de las vigas;
la al menos una fila de conductos de aire caliente está cubierta con una lámina de metal (2) que tiene una superficie externa capaz de absorber la radiación solar y el calor ambiental;
la al menos una fila de conductos de aire frío está formada dentro del aislamiento térmico (5); y
la cámara de inversión de aire inferior (7) y la cámara de inversión de aire superior (8) están conectadas a la al menos una fila de conductos de aire caliente y a la al menos una fila de conductos de aire frío.
2. La disposición de acuerdo con la reivindicación 1, en donde hay ventanas de ventilación situadas en el extremo de las cámaras de inversión de aire inferior y superior (7, 8).
3. La disposición de acuerdo con las reivindicaciones 1 o 2, en donde la cámara de inversión de aire inferior (7) comprende un orificio de drenaje de condensación (9).
4. La disposición de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1-3, en donde el aislamiento térmico (5) está dispuesto entre las dos filas de conductos y un lado interior del panel en sándwich.
5. La disposición de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1-4, en donde el material del aislamiento térmico (5) es un aislamiento térmico, un material compuesto y/o un material de mampostería.
6. Un método para el uso de la disposición de acuerdo con la reivindicación 1, en donde el método incluye las etapas de:
calentar con energía solar y/o con calor ambiental la lámina de metal (2) y, por lo tanto, el medio gaseoso en la al menos una fila de conductos de aire caliente,
transferir el medio gaseoso calentado a la cámara de inversión de aire superior (8),
enfriar el medio gaseoso con el dispositivo de refrigeración (6), calentando así el medio de refrigeración que fluye en el dispositivo de refrigeración (6),
transferir el medio gaseoso enfriado a la cámara de inversión de aire inferior (7) a través de la al menos una fila de conductos de aire frío, y
a continuación, guiar el medio gaseoso a la al menos una fila de conductos de aire caliente hacia la cámara de inversión de aire superior (8), creando así una autocirculación del medio.
7. El método de acuerdo con la reivindicación 6, en donde, además, incluye una etapa de usar el medio de refrigeración de flujo calentado en el dispositivo de refrigeración (6) para calentar un tanque de agua, almacenar calor, suministrar agua caliente a hogares, calentar edificios o generar energía eléctrica.
8. El método de acuerdo con las reivindicaciones 6 o 7, en donde, además, incluye una etapa de instalación de los paneles en sándwich (3) a lo largo en el tejado, paralelos a la viga o la correa, en donde la al menos una fila de conductos de aire caliente y la al menos una fila de conductos de aire frío que se extienden desde la cámara de inversión de aire inferior (7) hacia la cámara de inversión de aire superior (8) son preferentemente paralelas a la dirección de las vigas.
9. El método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 6-8, en donde, además, incluye una etapa de emplear el panel en sándwich (3) en planos del tejado con una pendiente inferior a 90 grados.
10. El método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 6-9, en donde, además, incluye una etapa de usar el panel en sándwich (3) como estructura de tejado del edificio y/o como parte integral de la propia estructura de tejado.
11. El método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 6-10, en donde el medio gaseoso es aire a presión atmosférica.
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