RO131402A1 - Sistem de anvelopă ventilată, multifuncţională, cu izolare termică activă şi cogenerare de energie electrică şi termică - Google Patents

Abstract

Invenţia se referă la un sistem de anvelopă ventilată, multifuncţională, cu izolare termică activă şi cogenerare de energie electrică şi termică, şi la panourile modulare din care este alcătuită, propunându-se un concept nou de răcire a clădirii pe timpul verii, de creştere a rezistenţei termice pe timpul iernii şi, în acelaşi timp, producerea de energie electrică şi termică cu un randament ridicat. Sistemul de anvelopă, conform invenţiei, are în alcătuire trei elemente funcţionale: un strat (1) de termoizolaţie convenţională şi izolare termică pasivă, o structură (7) de ventilaţie dublu strat cu canale verticale, pentru răcirea clădirii şi a anvelopei pe perioada verii, nişte canale (5) pentru acumularea de căldură şi izolare termică activă în timpul iernii, şi un ultim strat exterior, alcătuit din nişte panouri (8) fotovoltaice, policristaline şi amorfe, pentru producerea de energie electrică, funcţionarea pe timpul verii a sistemului de răcire activă a stratului de panouri PV şi a clădirii bazându-se pe asigurarea unui flux continuu de aer rece, care pătrunde prin intermediul unor clapete (12 şi 13) la baza faţadei, şi care circulă prin nişte canale (5 şi 7) verticale, cu tiraj natural şi, respectiv, forţat, preia căldura acumulată şi transmisă de panourile PV, acest flux ulterior fiind evacuat în exterior prin intermediul unor clapete (14 şi 15) mobile la partea superioară, iar funcţionarea pe timpul iernii a sistemului de izolare termică activă a clădirii se bazează pe încapsularea unui volum de aer în structura de ventilaţie dublu strat, prin închiderea clapetelor (12, 13, 14 şi 15), care este încălzit atât de stratul exterior de panouri PV, cât şi de căldura transmisă prin anvelopă, şi acţionează ca un tampon termic cu două zone de temperatură din canale (5 şi 7), ce reduce consumurile de energie ale clădirii cu până la 75%.

Description

Invenția se referă la un sistem de anvelopă ventilată, cu răspuns dinamic multicriterial, care introduce concepte noi în domeniul tehnic de care aparține. Acesta este destinată eficientizării energetice sustenabile a clădirilor și se bazează pe un sistem modular de fațadă și acoperiș care să aibă un răspuns termodinamic adaptat la condițiile de mediu - anotimp, temperatura exterioară și intensitatea radiației solare, și care să înlocuiască sau să dubleze anvelopa convențională.

în accepțiunea încetățenită în practica de specialitate, anvelopa clădirii este descrisă ca fiind totalitatea suprafețelor elementelor de construcție perimetrale, care delimitează volumul interior (încălzit) al unei clădiri, de mediul exterior sau de spații neîncălzite din exteriorul clădirii.

Anvelopa clădirilor convenționale nu “funcționează în adevăratul sens al termenului, ci își îndeplinește funcția de bază într-o manieră “pasivă”. Prin intermediul materialelor folosite și a dimensiunii în secțiune a acestora se obține o anumită valoare a rezistenței termice R. Cu alte cuvinte, singura “funcțiune a acestui tip de anvelope este să limiteze fluxul de căldură prin elementele de construcție printr-o creșterea a grosimii straturilor si/sau a coeficientului de transfer termic λ, intro maniera permanentă și nediferențiată de anotimp sau condițiile meteo.

Conceptul de anvelopă (multi)funcțională presupune introducerea de noi atribute definiției de bază care să cuprindă cerințele contemporane și viitoare raportate la acest domeniu, în special în ceea ce privește principiul de funcționare a clădirilor. Funcționarea ține in primul rând de un răspuns activ la elementele mediului înconjurător - radiația solară, fluxul de energie termică, curenți de aer- și presupune o maximizare a performanțelor mediului construit prin adaptarea la cerințele specifice fiecărui element în parte. Alături de nașterea unui concept nou în practica de specialitate se propune dezvoltarea primului sistem specializat de anvelopă multifuncțională destinat utilizării la scară extinsă, pentru clădiri colective de locuit și clădiri de birouri, ca soluție înlocuitoare la măsurile rămase în urmă implementate în prezent.

Aplicabilitatea este în egală măsură pentru clădiri noi care necesită atingerea standardului NZEB - (clădiri cu consum net zero de energie) cât și pentru renovarea ș ίΈΓκτίΤΐπ ÎtriT Îe^nțiÎ .

f Cerere Ca Gravei de invanție

....., ⁵ Date depozit t

$-2015-- 001921 3 -03- 2315 sustenabilă a fondului existent de clădiri care necesită același nivel de performanțe energetice.

Sistemul prezentat are la bază un concept modular de alcătuire și montaj, bazându-se în principiu pe coroborarea calităților panourilor fotovoltaice-(8) policristaline și amorfe cu un sistem inovator de ventilare a structurii anvelopei (5) (6) (7), termoizolație convențională (4) un mecanism de direcționare / dirijare a fluxului de aer (12) (13) (14) (15) și structura metalică (9) care interconectează aceste componente.

Suprafața colectoare a anvelopei (stratul exterior) are în alcătuire panouri fotovoltaice policristaline și/sau amorfe (8), care, pentru a fi posibilă asigurarea unor costuri cât mai scăzute, vor avea dimensiuni standardizate (de aproximativ 1500x1000x35mm - în funcție de producătorul ales). Elementul de captare a electricității va fi multiplicat pe verticală și orizontală in funcție de orientarea cardinală și posibilitățile particulare ale unei situații și fixat de anvelopa existentă prin intermediul unei structuri metalice de montanți - aluminiu sau oțel (9). Panoul fotovoltaic va fi dublat pe intrados de componenta ventilată a anvelopei - o structură dublă de cavități cu canale metalice verticale poziționate între montanți pe toată înălțimea zonei opace (5) (6) (7). Ultimul strat al ansamblului va fi alcătuit din vata bazaltică fixată mecanic pe intradosul zonei de ventilare (4). Această alcătuire a sistemului de anvelopă are eficiența cea mai ridicată în cazul elementelor de fațadă cu expunere sudică. Pe zonele anvelopei cu expunere estică și vestică, în urma unui studiu de însorire, se alcătuiesc porțiuni de captare a energiei solare bazate pe un sistem de panouri policristaline și altele porțiuni bazate pe un sistem de panouri amorfe opace, pentru a se maximiza randamentul de producere al energiei electrice în toate condițiile de însorire.

Modul de “funcționare” a anvelopei diferă în funcție de anotimp

Pe perioada verii (fig. 1), (fig. 3) -când radiația solară are intensitatea maximă, stratul exterior de panouri PV produce electricitate și are randamentul cel mai ridicat. Fluxul permanent de aer care circulă prin componenta de ventilare realizează răcirea permanentă a stratului exterior și astfel se reușește menținerea în palierul optim de funcționare - 25-30°C, temperatura la care randamentul panourilor policristaline este cu până la 15-20% mai ridicat decât la temperatura de 60-7G°C la care s-ar ajunge în cazul dispunerii convenționale a acestora. Sistemul de ventilare este compus din 2 cavități cu canale verticale (5) și (7), separate de un perete metalic (6)

Λ.* 2 Ο 1 5 - - 001921 3 -03- «15 de ventilare au o funcționare și un rol diferit in răspunsul termodinamic al anvelopei. In cazul zonei (7) canalele sunt în număr 6, au dimensiuni mai mici în plan orizontal și sunt astfel concepute încât să amplifice efectul de sucțiune. Pentru a amplifica tirajul, în partea inferioara a fațadei se poziționează un sistem de ventilare și astfel curgerea aerului este rapidă. în zona (5) cavitatea este alcătuită din 4 canale de dimensiuni mai mari care asigură o curgere mai lentă a aerului și care au un rol bine determinat în funcționarea anvelopei. Faptul că cele două sisteme de canale (5) și (7) sunt separate prin peretele metalic (6), face posibilă răcirea stratului exterior de panouri PV (8), separarea acestui circuit de restul straturilor anvelopei și în consecința răcirea “forțată” a clădirii propriu-zise. Acest lucru se realizează prin întreruperea fluxului termic convectiv dinspre exterior spre interior și disiparea căldurii spre exterior. Stratul termoizolator al anvelopei multifuncționale (4) are rolul de a reduce fluxul de căldură prin transmisie spre spațiul interior.

In timpul verii când panourile PV sunt expuse direct la radiația solară acestea produc electricitate și concomitent acumulează căldura. Această energie este transmisă prin conducție și radiație de către panouri celorlalte straturi ale anvelopei. Sistemul de canale cu tiraj forțat și curgere rapidă (7) întrerupe acest flux de căldură cu ajutorul a 3 elemente cheie - clapetele de admisie a aerului rece (12) (13), tirajul natural și forțat și clapetele de evacuare (14), (15). Fluxul continuu de aer din structura anvelopei asigură răcirea componentei colectoare și împiedică propagarea căldurii. Pentru a dubla efectele se folosește un al doilea set de canale (5) care evacuează căldura latentă și asigură răcirea activă a anvelopei, reducându-se necesarul de condiționare a aerului cu peste 85%.

Pe perioada iernii (fig.2) -radiația solară, deși are o intensitate mai scăzută, ajunge sub un unghi de incidență mai apropiat de 90 ⁰ față de suprafața anvelopei și este posibilă o rată de conversie relativ ridicată în electricitate. în pofida temperaturilor scăzute ale mediului exterior, valoarea albedo și natura alcătuirii panourilor fotovoltaice (8) fac ca acestea să convertească o parte importantă din radiația solară în radiație calorică. în acest scenariu, componenta ventilată (5), (6) și (7) a fațadei este obturată și în zona de admisie (12), (13) și în cea de evacuare (14), (15) prin închiderea clapetelor, volumul de aer aflată în cavitate rămânând încapsulat. Fără aport de aer rece din exterior, căldura acumulată în panourile fotovoltaice este transmisa masei de aer. Acest volum de aer cald poate fi întrebuințat pentru realizarea termoizolării “active” a anvelopei. Dacă aerul cald se

^2015-- 001921 3 -03- 2CJ5 păstrează la o temperatură cât mai apropiată de cea interioară, anvelopa este automat “transpusă într-un regim termic favorabil unui consum redus de energie. Transferul de căldură este generat de o diferența de temperatură între 2 medii, iar dacă stratul exterior al anvelopei are o temperatură similară cu cea interioară, transferul termic prin transmisie este diminuat Ia minim. Se obține astfel un efect “activ” de termoizolare în care anvelopa se opune transmiterii fluxului de căldură prin funcționare și complementaritatea componentelor sale și nu prin masivitate sau proprietățile materialelor din care este alcătuită.

Cavitatea de aer (7) acumulează căldura radiată și transmisă de panourile fotovoltaice (8) iar cavitatea (5) preia căldura pierdută de zona (7) și în același timp căldura pierdută de clădire prin transmisie dinspre interior. Coeficientul de transfer termic foarte scăzut al aerului (A aer =0,024 w/mK) coroborat cu capacitatea sa calorică ridicată fac ca existența unui strat dublu de aer să schimbe fundamental comportamentul termodinamic al anvelopei și să aducă cu sine o îmbunătățire considerabilă a performanțelor și a confortului, fiind posibilă o reducere a energiei pentru încălzire cu până la 75%.

O particularitate favorabilă a sistemului de anvelopă propus este structura modulară de alcătuire și prindere (fig. 4). Printr-ο dimensionare și alcătuire judicioasă va fi posibilă atingerea a 2 criterii de performanță de mare utilitate. în primul rând, acest tip de alcătuire ușurează orice eventuală imbunatatîre/actualizare, pe măsura emergenței de noi tehnologii în domeniul panourilor fotovoltaice și/sau a materialelor termoizolatoare. în al doilea rând, este facilă adaptarea la locuințe colective cu structura repetitivă, considerate a prezenta cel mai mare potențial de renovare sustenabilă din România la acest moment.

în concluzie, sistemul de anvelopă multifuncțională prezentat are un caracter inovativ, neexistând cercetări la nivel național sau internațional care să trateze într-o manieră integratoare problema răspunsului multicriterial - cogenerarea de energie, răcire forțată, termoizolare activă și pasivă - a elementelor de construcții.

Avantajele produsului și a procedeului propus sunt numeroase în comparație cu soluțiile convenționale, reușindu-se o creștere a randamentului de producere a energiei electrice cu 20%, o scădere a necesarului pentru condiționarea aerului în timpul verii cu 85%, o reducere a consumului de energie termică cu 75% în timpul iernii și o creștere substanțială a duratei de viață a clădirilor.

Claims (2)

Revendicări

1. Sistem de anvelopa ventilată multifuncțională cu izolare termică activă și (co)generare de energie, este un sistem caracterizat prin aceea că are în alcătuire trei elemente funcționale definitorii: un strat exterior de panouri fotovoltaice policristaline și amorfe pentru producerea de energie electrică (8), o structură de ventilație dublu-strat având în componență: o cavitate cu canale verticale și tiraj natural (5); o cavitate cu canale verticale și tiraj forțat (7) și un ultim strat de termoizolație convențională (2). Metoda se bazează în funcționare pe două componente: un sistem de răcire activă a anvelopei și a stratului de panouri PV și un sistem de termoizolâre activă.

Prima componenta, respectiv structura de ventilație dublu-strat, cu funcționare pe timpul verii, permite accesul aerului atmosferic prin poziționarea unor clapete (mobile) de admisie aer (12) și (13) la baza fațadei, «parcurgerea» traseului format din canale verticale cu tiraj natural (5) și forțat (7) și ulterior evacuarea acestuia în exterior prin intermediul unor clapete mobile la partea superioară (14), (15), obtinandu-se astfel răcirea clădirii, a anvelopei și a stratului exterior de panouri PV. Se reușește astfel păstrarea stratului “colector a anvelopei (8) într-un regim termic optim (2Q-25°C) care crește atât randamentul de producere a energiei electrice cu 15-20% pe perioada verii cât și o reducere a consumului de energie pentru răcire cu 65-85%,

A doua componenta, respectiv sistemul de izolare termică activă, funcționează pe timpul iernii, prin închiderea clapetelor (12), (13), (14), (15), încapsularea volumului de aer din structura de ventilație dublu-strat cu canale verticale, care, odată încălzit de stratul exterior de panouri PV și de energia transmisă prin anvelopă, acționează ca un tampon termic cu două zone de temperatură (5) și (7) și reduce cu până la 75% pierderile de căldură prin transmisie și convecție.

2. Panou modular de anvelopă multifuncțională caracterizat prin aceea că are în alcătuire un panou fotovoltaic (8) cu o dimensiune de 1500x1000x35mm, un sistem de ventilare dublu-strat cu tiraj forțat (7) - 6 canale verticale și tiraj natural (5) - 4 canale verticale, un strat de termoizolație convențională (4) cu barieră de vapori (3) și un sistem de montanți metalici pentru prindere și fixare (9)·