ES2983622A1 - Dispositivo modular de aislamiento termico exterior integrable en la envolvente opaca de los edificios con control solar inteligente y produccion de energia solar fotovoltaica - Google Patents

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Abstract

Dispositivo modular de aislamiento térmico exterior integrable en la envolvente opaca de los edificios con control solar inteligente y producción de energía solar fotovoltaica. El dispositivo regula la radiación solar incidente mediante el cambio de propiedades de un elemento óptico conmutable eléctricamente, el cual es alimentado por un vidrio fotovoltaico. Además, el vidrio fotovoltaico puede generar un excedente de energía eléctrica de origen renovable. Su incorporación como Sistema de Aislamiento Térmico Exterior (SATE), permite regular, sin necesidad de usar energía eléctrica procedente de la red, la cantidad de radiación solar que incide directamente sobre las fachadas de los edificios, disminuyendo el consumo en climatización. Su utilización permite mejorar la estética del edificio, al presentar una superficie homogénea con una gran variedad de colores. Este último aspecto facilitaría la integración arquitectónica de este tipo de dispositivos tanto en edificios nuevos como en los procesos de rehabilitación energética de edificios existentes.

Description

DESCRIPCIÓN
DISPOSITIVO MODULAR DE AISLAMIENTO TÉRMICO EXTERIOR INTEGRABLE EN LA ENVOLVENTE OPACA DE LOS EDIFICIOS CON CONTROL SOLAR INTELIGENTE Y PRODUCCIÓN DE ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA
SECTOR DE LA TÉCNICA
La presente invención corresponde al área de la ingeniería energética, y se enmarca en el sector de la edificación. Su uso está destinado tanto para edificios de nueva construcción como para la rehabilitación energética de edificios existentes, con objeto de reducir el consumo energético, pero puede tener otras muchas aplicaciones.
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN
Según la Agencia Internacional de la Energía, en 2021, las emisiones directas e indirectas de CO2procedentes de la operación de edificios aumentaron a alrededor de 10 gigatoneladas, lo que representa un aumento del 2% en comparación con 2019 y un aumento del 5% respecto a 2020 [1]. Teniendo en cuenta que los edificios son responsables de aproximadamente un tercio del consumo de energía global y una cuarta parte de las emisiones de CO2, la Comisión Europea propone que, a partir de 2030, todos los edificios nuevos deben ser cero emisiones, lo que se conoce como "edificios con consumo de energía casi nulo” (NZEB,Nearly zero-emission building)[2].
Dentro de los servicios consumidores de energía en un edificio, los sistemas para proporcionar calefacción, ventilación y aire acondicionado (HVAC) suponen el de mayor consumo en todo el mundo (38%), tanto en sectores residenciales (32%) como terciarios (47%) [3]. Las principales vías para reducir el consumo energético asociado a este servicio serían: a) lareducción de la demanda energéticadel edificio, tanto en régimen de calefacción como de refrigeración; b) lamejora de la eficiencia energética de las instalaciones térmicas,y; c) laincorporación de energías renovables.
Una de las opciones más avanzadas y en continuo desarrollo para la reducción del consumo energético de edificios se basa en la utilización de las denominadasfachadas adaptativas (Adaptive Dynamic Building Envelopes, ADBE).Se pueden encontrar en la literatura científica interesantes y exhaustivas revisiones del estado del arte de este tipo de soluciones. En una revisión reciente [4], se destaca la tecnología de Integración Fotovoltaica en Edificios (BIPV, por sus siglas en inglés). Esta tecnología implica la integración de paneles fotovoltaicos en los materiales de construcción de los edificios, como las fachadas, los techos y los sistemas de protección solar. La configuración más extendida consiste en colocar el panel fotovoltaico en la superficie exterior de la fachada, seguido de una capa de aislamiento y, opcionalmente, una cavidad de aire entre dicha configuración y la pared existente, en cuyo caso se trataría de una variación de las denominadas fachada ventilada o muro cortina (double skin). Los paneles fotovoltaicos utilizados en este tipo de fachada pueden ser opacos [5] o semitransparentes [6] [7] [8]. Sobre estos últimos, el estado actual de la tecnología de vidrios fotovoltaicos (películas delgadas, DSCC, celdas orgánicas, etc.) [9] permitiría una mejor integración arquitectónica desde el punto de vista estético dada la variedad de colores y texturas posibles.
Por tanto, la tecnología BIPV permite generar electricidad de origen renovable además de regular, mediante la cámara ventilada, la transmitancia térmica a través del cerramiento opaco controlando la demanda energética y reduciendo el consumo de calefacción y/o refrigeración.Sin embargo, la comentada ventaja estética de la incorporación de la última tecnología de vidrios fotovoltaicos con alta transparencia en el espectro solar (incluso de un 70%) con elevados rendimientos de producción eléctrica (hasta un 25%), incrementaría las ganancias solares directas sobre la fachada opaca incrementando el consumo de refrigeración siendo insuficiente el uso de la cámara ventilada.
La solución que se propone a esta limitación se basa en la incorporación de una capa electrocrómica a un vidrio fotovoltaico de alta transparencia. Esto permitiría regular la radiación incidente sobre la pared del edificio maximizándola en régimen de invierno y reduciéndola en verano. Además, la energía eléctrica producida por el vidrio fotovoltaico alimentaría la capa electrocrómica y el control de las lamas para regular la ventilación de la cámara.
Estos elementos electrocrómicos son capas delgadas que permiten regular sus propiedades ópticas (transmitancia, reflectancia y absorbancia) en función de un estímulo eléctrico. Son varias las tecnologías empleadas para el desarrollo de elementos ópticos conmutables eléctricamente, tales como materiales electrocrómicos, cristales líquidos dispersos en polímeros o dispositivos de partículas suspendidas [10].
El uso de dispositivos ópticos conmutables autoalimentados mediante el vidrio fotovoltaico se ha extendido a numerosas aplicaciones [11]; en particular, en el sector de la edificación, ha destacado su uso como ventana inteligente(Electrochromic Smart Windows)[12]. Se puede encontrar dispositivos patentados que utilizan los vidrios fotovoltaicos, con capas electrocrómicas reguladas y en combinación con cámaras de aire [13], [14] [15]; sin embargo, siempre aplicados a la envolvente traslúcida del edificio, es decir, usadas como ventanas. Es importante resaltar que el comportamiento térmico y los objetivos de estas ventanas inteligentes difieren del propuesto en esta invención. Las ventanas inteligentes tienen la capacidad de regular la radiación solar transmitida de tal forma que permita minimizar el consumo de refrigeración y calefacción debido exclusivamente a este componente de ganancia térmica; y siempre manteniendo los requerimientos de iluminación natural en el interior del edificio.Sin embargo, estas ventanas inteligentes no presentan inercia térmica y su capacidad de aislamiento térmico es muy reducido; y, precisamente, son estos los fenómenos que deben controlarse con la aplicación de la capa electrocrómica y no la transmisión de la radiación solar hacia el interior del edificio.
Existen dispositivos tipo fachadas ventiladas similares [16] basados en un elemento modular de aislamiento térmico exterior integrable en la envolvente opaca de los edificios con producción de energía solar fotovoltaica. Sin embargo, no incorpora un vidrio fotovoltaico para la generación de electricidad ni una capa electrocrómica para el control de la transmitancia de la radiación solar hacia la envolvente opaca.
Por tanto, el dispositivo propuesto favorecería la incorporación de los vidrios fotovoltaicos en los actuales sistema de aislamiento térmico exterior (SATE) [24], en particular, las variantes de fachadas ventiladas.
Listado de referencias empleadas
[1] IEA, 2021a. Greenhouse Gas Emissions from Energy. IEA, Paris, https:
//www.iea.org/data-and-statistics/data-product/greenhouse-gas-emissionsfromenergy.
[2] DIRECTIVA (UE) 2018/844 DEL PARLAMENTO EUROPEO Y DEL CONSEJO de 30 de mayo de 2018 por la que se modifica la Directiva 2010/31/UE relativa a la eficiencia energética de los edificios y la Directiva 2012/27/UE relativa a la eficiencia energética.
[3] IEA, 2021b. Net Zero by 2050, Paris. IEA, Paris, https://www.iea.org/reports/netzero-by-2050.
[4] Negar Mohtashami, Nico Fuchs, Maria Fotopoulou, Panagiotis Drosatos, Rita Streblow, Tanja Osterhage and Dirk Müller. State of the Art of Technologies in Adaptive Dynamic Building Envelopes (ADBEs). Energies 2022, 15, 829. https://doi.org/10.3390/ en15030829
[5] Atmaja, T.D. Fagade and Rooftop PV Installation Strategy for Building Integrated Photo Voltaic Application. Energy Procedia 2013, 32, 105-114.
[6] Shukla, A.K.; Sudhakar, K.; Baredar, P. Exergetic analysis of building integrated semitransparent photovoltaic module in clear sky condition at Bhopal India. Case Stud. Therm. Eng. 2016, 8, 142-151.
[7] Zisis Ioannidis, Efstratios-Dimitrios Rounis, Andreas Athienitis, Ted Stathopoulos.
Double skin fagade integrating semi-transparent photovoltaics: Experimental study on forced convection and heat recovery. Applied Energy (2020), vol. 278.
[8] C. García-Gáfaro, C. Escudero-Revilla, I. Flores-Abascal, J.M. Hidalgo-Betanzos, A. Erkoreka-González. A photovoltaic forced ventilated fagade (PV-FVF) as heat source for a heat pump: Assessing its energetical profit in nZEB buildings. Energy & Buildings 261 (2022) 111979.
[9] Romaní, J.; Ramos, A.; Salom, J. Review of Transparent and Semi-Transparent Building-Integrated Photovoltaics for Fenestration Application Modeling in Building Simulations. Energies 2022, 15, 3286. https://doi.org/10.3390/ en15093286
[10] Granqvist CG, Avendaño E, Azens A. Electrochromic coatings and devices:
Survey of some recent advances. Thin Solid Films 2003;442:201-11. doi:10.1016/S0040-6090(03)00983-0.
[11] Cannavale A, Cossari P, Eperon GE, Colella S, Fiorito F, Gigli G, et al.
Forthcoming perspectives of photoelectrochromic devices: A critical review. Energy Environ Sci 2016;9:2682-719. doi:10.1039/c6ee01514j.
[12] Rashidzadeh, Z.; Heidari Matin, N. A Comparative Study on SmartWindows Focusing on Climate-Based Energy Performance and Users’ Comfort Attributes. Sustainability 2023, 15, 2294. https://doi.org/10.3390/su15032294.
[13] Lyford Jamie; Rosenberg Victor; Cole Christopher; Coonan Steven. Self powered building unit. 2021. https://worldwide.espacenet.com/patent/search/family/074502405/publication/W O2021022316A 1?q=WO2021022316A1
[14] Kwak Byung-Sung Leo; Haas Dieter; Bangert Stefan; Krishna Nety M; Hoffmann Winfried. Laminated electrically tintable windows. https://worldwide.espacenet.com/patent/search/family/042124864/publication/U S7710671B1?q=US7710671B1
[15] Chen Qingfeng; Chen Jingyao. Energy-saving plate device.
https://worldwide.espacenet.com/patent/search/family/060093198/publication/C N 107290872A?q=CN 107290872A
[16] Feng Gangke. Included angle type solar cell panel heat collecting curtain wall and roof and ventilation air conditioner system. https://worldwide.espacenet.com/patent/search/family/056742115/publication/C N105910300A?q=CN105910300A.
[17] IDAE. Sistemas de Aislamiento Térmico Exterior (SATE) para la Rehabilitación de la Envolvente Térmica de los Edificios. 2012.
EXPLICACIÓN DE LA INVENCIÓN
Los elementos ópticos conmutables eléctricamente combinados con vidrios fotovoltaicos, se han usado siempre formando parte del cerramiento semitransparente de las construcciones, como parte de las fachadas adaptativas, en sustitución de los vidrios convencionales en los acristalamientos de edificios residenciales y de oficinas.
La presente invención consiste en un dispositivo modular e integrable en la envolvente opaca de los edificios. Se trata de un dispositivo, que sirva como sistema de aislamiento térmico exterior, tanto en rehabilitación de edificios como en edificios de nueva construcción, formado por un elemento óptico conmutable eléctricamente combinado con un vidrio fotovoltaico. Además, el sistema cuenta con una cámara de aire regulada a través de un sistema cierre/apertura y una capa de material aislante junto con los elementos de sujeción, de forma que el dispositivo propuesto puede ensamblarse modularmente a otros hasta cubrir el área de cerramiento y proporcionar el sistema de aislamiento térmico del edificio.
El dispositivo propuesto es un elemento multifuncional en el que se unen diferentes componentes para combinar sus propiedades de una manera innovadora. En particular, una primera función es convertir la radiación solar en energía eléctrica (función del vidrio fotovoltaico) y, en segundo lugar, se produce una variación de las propiedades ópticas del elemento conmutable como respuesta al estímulo eléctrico. Además, en general, el vidrio fotovoltaico puede generar un excedente de energía eléctrica de origen renovable, lo que añade una característica adicional a esta clase de dispositivos multifuncionales.
El dispositivo es totalmente integrable en las fachadas de los edificios, de nueva construcción o existentes. Además, es totalmente autosuficiente, al no tener que estar conectado a la red, siendo el vidrio fotovoltaico el que proporciona el aporte eléctrico necesario para el funcionamiento del dispositivo.
Las principales ventajas del sistema presentado se describen a continuación. Por un lado, su instalación en cerramientos exteriores opacos, fachadas o cubiertas proporciona aislamiento térmico exterior al edificio. Debido a la capacidad del elemento óptico conmutable de modificar sus propiedades ópticas como respuesta a un estímulo eléctrico, la radiación solar incidente puede ser controlada, lo que permite reducir el consumo de los sistemas de climatización. Por otro lado, la inclusión de vidrios fotovoltaicos en el dispositivo da lugar a la conversión de la radiación solar en energía eléctrica, permitiendo que el sistema sea autosuficiente y no necesite estar conectado a la red eléctrica para su funcionamiento. Además, el excedente de energía eléctrica producido por el vidrio fotovoltaico añade una característica adicional al dispositivo. Por último, el aspecto visual del edificio donde se coloque puede variar notablemente al resultar una superficie homogénea y con una amplia gama de colores. Tener una cámara ventilada con un sistema autónomo de apertura y cierre permite la regulación del funcionamiento de ésta y que no esté activa en situaciones en las que la refrigeración del edificio no sea necesaria.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS.
En la Figura 1 se muestra el perfil de un dispositivo objeto de la invención situado sobre la envolvente exterior de un edificio. En el esquema se muestran las siguientes referencias:
- Vidrio fotovoltaico transparente (1).
- Elemento óptico conmutable eléctricamente (2).
- Cámara de aire (3).
- Aislante térmico (4).
- Elementos de sujeción (5).
- Sistema cierre/apertura cámara de aire (6)
REALIZACIÓN PREFERENTE DE LA INVENCIÓN.
El dispositivo modular de aislamiento térmico exterior integrable en la envolvente opaca de los edificios con control solar inteligente y producción de energía solar fotovoltaica comprende los siguientes elementos:
- Vidrio fotovoltaico transparente (1).
- Elemento óptico conmutable eléctricamente (2).
- Cámara de aire (3).
- Aislante térmico (4).
- Elementos de sujeción (5).
- Sistema cierre/apertura cámara de aire (6).
El vidrio fotovoltaico (1) produce electricidad a partir de la energía solar recibida. Parte de la energía eléctrica producida puede ser usada como estímulo para el funcionamiento del elemento óptico conmutable eléctricamente (2) produciéndose un cambio en sus propiedades ópticas. Este cambio en las propiedades ópticas del dispositivo permite, cuando la intensidad de radiación solar es muy elevada, condiciones de verano, aumentar la reflectividad y disminuir la transmisividad, reduciendo la intensidad de radiación solar sobre el cerramiento. Cuando la intensidad de radiación es pequeña y la temperatura ambiente baja, condiciones de invierno, se modulan las propiedades del dispositivo para disminuir la reflectividad y aumentar la transmisividad, así se consigue aumentar la cantidad de radiación que incida sobre el cerramiento. El dispositivo se complementa con la cámara de aire (3) cuyo funcionamiento viene regulado mediante un sistema de control (6) que permite su apertura o cierre en función de las condiciones ambientales en cada caso. Además, dispone de una capa de material aislante térmico (4) junto con elementos de sujeción (5) con el cerramiento exterior del edificio.

Claims (4)

REIVINDICACIONES
1. Dispositivo modular de aislamiento térmico exterior integrable en la envolvente opaca de los edificios con control solar inteligente y producción de energía solar fotovoltaica que comprende:
a) Un elemento óptico conmutable eléctricamente (2), que modula la transmisión de la radiación solar incidente.
b) Un vidrio fotovoltaico (1), que a partir de la energía solar recibida proporciona la electricidad necesaria para el funcionamiento del elemento conmutable (2), modificando sus propiedades ópticas y generando un excedente de energía eléctrica de origen renovable.
c) Una cámara de aire (3) regulable mediante un sistema de control cierre/apertura (6).
d) Una capa de aislante térmico (4).
e) Elementos de sujeción a la envolvente opaca del edificio (5).
2. Uso del dispositivo modular de aislamiento térmico exterior integrable en la envolvente opaca de los edificios, según reivindicación 1, para permitir o evitar la llegada de radiación incidente a la fachada del edificio y mejorar el comportamiento térmico del edificio controlando la temperatura superficial exterior.
3. Uso del dispositivo modular de aislamiento térmico exterior integrable en la envolvente opaca de los edificios, según reivindicación 1, para producir un excedente de energía eléctrica de origen renovable, mediante del vidrio fotovoltaico (1).
4. Uso del dispositivo modular de aislamiento térmico exterior integrable en la envolvente opaca de los edificios, según reivindicación 1, para modificar la apariencia de los paramentos verticales que dan forma a la envolvente del edificio, mediante el empleo de vidrios fotovoltáicos (1) de diferentes colores.
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