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ES2451167B1 - Sistema de climatización termoactivo por aire con fuentes energéticas múltiples e integración arquitectónica - Google Patents

Sistema de climatización termoactivo por aire con fuentes energéticas múltiples e integración arquitectónica Download PDF

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ES2451167B1 ES201200858A ES201200858A ES2451167B1 ES 2451167 B1 ES2451167 B1 ES 2451167B1 ES 201200858 A ES201200858 A ES 201200858A ES 201200858 A ES201200858 A ES 201200858A ES 2451167 B1 ES2451167 B1 ES 2451167B1
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Abstract

Sistema de climatización termo activo por aire con fuentes energéticas múltiples e integración arquitectónica;#1. Forjados o losas termoactivos (3, 5) por los que pasa el aire climatizado, transmitiendo su temperatura a la masa del hormigón, la cual, gracias a su inercia térmica, actúa simultáneamente como almacenamiento de energía y suelo radiante.#2. Además, uno o varios de los siguientes elementos:#2a. Placas solares de producción de aire caliente (7) diseñada para mimetizarse con la pizarra o tejas de cubierta (10).#2b. Drenajes del subsuelo o paredes de sótanos (15), modificados para captar la temperatura estable del terreno circundante (13) a la edificación.#3. Conductos para trasladar el aire en los ventiladores que, opcionalmente, integran otros dispositivos auxiliares: ventiladores (4), sondas, intercambiadores, chimeneas (16), bombas de calor (17, 18), calderas, etc.

Description

SISTEMA DE CLlMATIZACION TERMOACTIVO POR AIRE CON FUENTES
ENERGETlCAS MULTIPLES E INTEGRACION ARQUITECTONICA.
Sector de la técnica.
5
la invención se encuadra en el sector de la bioclimática y climatización en general
así como en la producción y almacenamiento de energías renov~bles aplicadas a la
construcción.
Estado de la técnica.
10
la climatización de los edificios se obtiene por distintas técnicas que implican un
mayor o menor aporte de energía exterior procedente de diversas fuentes: electricidad,
solar, biomasa, combustibles fósiles, gas, geotermia, etc.
las placas solares, fotovoltaica s o térmicas, se imponen en cubiertas y fachadas,
geotermia, cogeneración, biomasa o bombas de calor son sistemas de producción de
lS
energía cada vez más frecuentes. En cuanto al almacenamiento, destacan las baterías
para la energía eléctrica y los acumuladores de agua caliente para ACS y, muy raramente,
para calefacción.
Para el usa del calor, los suelos radiantes están demostrando ser el sistema que
proporciona más confort, tanto para calefacció n como para enfriamiento del ambiente.
20
Esto ha llevado a la creación del concepto de los llamados forjados termoactivos, TABS en
inglés (Thermo-active building systems). Consisten en forjados que alojan en su interior
tubos, generalmente de material plástico, por los que se hace pasa r agua caliente o fría
según sea invierno o verano. la gran inercia térmica del hormigón, hace que la
temperatura se mantenga muy estable en los recintos en que se utiliza, en contraste con
2S
aquéllos en los que se calienta directamente el aire del ambiente, bien con radiadores o
bombas de calor.
Se suele utilizar el agua como elemento portador por su alto calor específico y, por tanto,
los peque ños diámetros de sus conductos. Sus in convenientes: corrosión, ca lcificación,
fuga s que pueden causar grandes daños, coste de la s bombas, espacio y duración de los
30
acumuladores, cua ndo los hay. Complicaciones que se presentan a la hora de integrar en
una misma instalación distintos sistemas de producción de calor o frío y quizás
técnicamente la más importante, su rango de utilización limitado entre los O y 100~. En
cuanto a combinar varios sistemas en un circuito solo se suelen hacer con las placas
solares térmicas por agua en cubierta con un solo sistema de apoyo para prodUCción de
3S
calefacción o climatización: bomba de calor, (de geotermia o aerotermia), caldera de fuel,
gas o biomasa, o, recientemente, aparato de microcogeneración por gas.
Para resolver los problemas asociados al agua o a los fluidos portadores de frío o calor,
proponemos un sistema que puede integrarse y mimetizarse en la estructura de cualquier
40
edificio, y que utiliza e l aire en todas la s fases de l ciclo térmico de la climatización:
Producción y distribución del frio o del ca lor y el almacenamiento en los materiales de
construcción. Consiste en un circuito cerrado para paso de aire al que pueden acoplarse
las placas solares y la variante de drenaje para geotermia que presentamos en esta
solicitud de patente, además de alguno o varios de los sistemas de producción de aire frío
4S
o caliente para climatización conocidos actualmente.
Descripción. El sistema propuesto en esta solicitud de patente consiste en un circuito cerrado de conductos para aire, movido por simples ventiladores, que incluye:
S 1.-Un forjado. losa o suelo técnico. caracterizado por integrar conductos para el
paso del aire, en forma de laberinto. Su misión es, gracias a su gran inercia térmica, servir
de almacenamiento de calor o frío, a la vez que amortiguar las altas temperaturas que
puede alcanzar el aire en chimeneas o calderas. Simultáneamente es el emisor térmico, por radiación.
10 2.a.-Una cubierta solar caracterizada por integrar duetos para el aire bajo unas
láminas de vidrio, que puede adoptar cualquier medida, color y forma para mimetizarse completamente con los elementos exteriores de la cubierta: piezas de pizarra o tejas planas, por ejemplo.
2.b.-Captador geotérmico, caracterizado porque el aire del circuito cerrado se
15 hace pasar por un drenaje de humedades, construido en contacto directo con el terreno circundante, bajo la losa del subsuelo o tras los muros del sótano, De esta forma, el aire toma la temperatura del terreno que suele ser estable a lo largo del año (de 10 a laº C), por lo que sirve para refrescar los forjados termoactivos en verano.
3.-Ventiladores y duetos verticales caracterizados porque permitirán conectar,
20 como apoyo, otros elementos de prodUCCión de aire caliente o frío, tales como bombas de calor, chimeneas, estufas, calefactores eléctricos, calderas (de gas, de biomasa, o de cogeneración), además de intercambiadores aire/agua para la produCCión de ACS.
Nuestro sistema, resuelve los dos problemas asociados al uso del aire para climatización:
25 1.-Posibilidad de contaminación por hongos, bacterias, insectos, polvo, humedades, etc,: Para ello, el movimiento se realiza en circuito cerrado, Este es el aspecto diferenciador sobre la utilización típica de aparatos de aire acondicionado
o calefactores eléctricos. 2.-El escaso calor específico del aire, que lo hace poco apropiado para
30 almacenamiento térmico, así como las grandes diferencias de temperaturas máximas que aportan los sistemas de producción de calor de apoyo mencionados (Desde -16º a 450º C). En el sistema que proponemos, el calor o el frío pasa a las losas y forjados del edificio, las cuales, gracias a su enorme masa e inercia térmica, atemperan el calor de radiación a temperaturas normales de uso (de 15 a 28º C) Y
35 son los que asumen la función de almacenamiento y difusión del frío o del calor.
Breve descripción de los dibujos. Figura 1.-Descripción de realización preferida. Figura 2,-Oetalle de la cubierta solar vista desde su parte superior, donde se aprecian la
40 chapa grecada, el ducto y la tapa practicable (19), asf como la integración de los vidrios con la pizarra (rayada para mejor comprender la diferencia con el vidrio). Figura 3,-Detalle de la cubierta solar vista desde su parte más baja, Figura 4.-Forjado típico de vigueta-bovedilla, visto desde uno de sus extremos, en el que se muestran las aberturas para conexión con los duetos verticales y de reparto. El hueco
45 puede estar en su cara superior o inferior y puede estar constituido por tubos en codo. Figura 5,-Detalle de acoplamiento de chimenea en el sistema de duetos.
Figura 6.-Ejemplo de planta de "laberinto" o recorrido del aire bajo el suelo en una habitación con baño adosado (a la izquierda de la imagen). Se aprecian los pies de los
conductos verticales realizados en obra.
Descripción de realización preferida 1.-Almacenamiento y radiación de la energía térmica: losa o forjados activos por aire: Sobre el aislamiento (1), se coloca una losa o capa de compresión de hormigón o cerámico (2). Además de soporte, tiene la función de almacenar el calor gracias a su masa. Sobre esta se levantan tabiquillos (3) y tapas de cualquier material, para generar
ductos al aire con disposición de laberinto, dispuestos de forma que permita controlar,
según sea su recorrido, el calor o frio de diversas estancias de forma separada. Para ello se utilizará tanto el dimensionamiento de los conductos como la colocación de ventiladores (4) y trampillas (19 en figura 2) accionadas desde el exterior que regulen el caudal del aire. la superficie del material (5) de la cara superior del conducto será hermética. Podrá ser el propio recubrimiento del suelo, por ejemplo tarima de madera o mármol. En otros casos, servirá para soportar el recubrimiento y podrá recibir una nueva capa de compresión que, con su masa adicional, aumentará la capacidad de almacenamiento del sistema. Para los forjados de pisos intermedios, el sistema a utilizar dependerá de que los usuarios de los distintos niveles sean diferentes (apartamentos, pisos o condominios) o el mismo, (chalets, villas o adosados). 1.-En el caso de apartamentos, todo el sistema ha de ser parecido al ya descrito, contando con un aislamiento (1) que proteja al usuario del piso inferior, situado sobre el forjado, equivalente a la losa (14) que vemos en el dibujo. Hacia arriba el esquema se repite. Cuando no se pueda disponer de espacio bajo el forjado, ni de mucha altura para recrecer el suelo, se elegirán aislamientos extrafinos sobre los que se ejecutarán los laberintos por medio de rastreles que substituirán a los tabiquillos (3), los cuales recibirán el recubrimiento de suelo. Alternativamente, se pueden utilizar ladrillos huecos cerámicos tumbados, dispuestos en forma de laberinto. En el caso de que este no disponga de alturas superiores a los 3 cm., será necesario establecer conductos previos y posteriores de reparto a las salidas del suelo y un proyecto que calcule cuidadosamente los flujos y el trabajo de los ventiladores correspondientes. 2.-En el caso de edificios de dos o más niveles que correspondan a un mismo usuario, se podrán utilizar los huecos de las viguetas-bovedillas para transmitir el aire y almacenar el calor, los duetos de distribución podrán adoptar las formas de falsas vigas situadas a cada extremo de las viguetas. Se puede prescindir del aislamiento entre pisos. (Figura 4). Producción de energía térmica: 2.a.~ Captador de energía solar para producción de calor. Cubierta completa o placas solares para producción de aire caliente caracterizadas por estar constituidas por dos elementos complementarios: una chapa grecada (6) del tipo utilizado para cubiertas de naves industriales. A ella se fijan en su parte exterior, vidrios o plásticos transparentes (7) o translúcidos que la cubran, dejando libre el espacio entre los carriles que forma la chapa para hacer circular aire en sus intersticios, el cual se va calentando a su paso por el mismo, por efecto de la radiación solar. Para su funcionamiento como captador solar, la chapa tendrá una o varias perforaciones en su parte inferior (8) por donde entrará el aire procedente del circuito cerrado, y otros huecos en la parte superior (9) para su salida. Estos se realizarán de forma que no
perjudiquen el uso como cerramiento de cubierta e impermeabilización de las placas grecadas. En la realización preferida y para conseguir su integración arquitectónica, se propone el uso de vidrios de dimensiones y tonos de color tales que permitan
combinarlos sin separación de marco alguno, con placas de pizarra (lO) o tejas, para lo cual se pueden utilizar las fijaciones y soporte habituales de las mismas. Para su uso optimizado, la chapa a utilizar compondrá un elemento de tipo sándwich con tres capas, la superior será la ya mencionada con relieves grecados longitudinales, la
intermedia será un aislante resistente a altas temperaturas, como la lana de roca o de vidrio (12) y la inferior, que podría ser decorativa: en chapa, madera, cartón-yeso u otros. De esta forma en el cerramiento de cubierta se integran: la impermeabilización, el aislamiento, la decoración del techo y, gracias a la cobertura superior de vidrio que proponemos, la prodUCción de aire caliente (o frío por las noches de verano, si se necesita bajar la temperatura del forjado).
2.b.-Geotermia, para enfriar o refrescar el espacio habitado: Captador geotérmico: Se trata de modificar los elementos constructivos que quedan en contacto directo con el terreno circundante a la edificación (13): apoyos de la losa inferior
(14) de solera y muros de sótanos. En lugar de grava o los drenajes plásticOS habituales, proponemos ladrillos (15) o bloques con huecos como los de la patente ES 2346616. Su objetivo será la transmisión térmica, por simple contacto, de la temperatura natural del terreno (normalmente entre 10 a 182 a un metro de profundidad) al aire que circule en sus huecos. Este será utilizado, normalmente, para enfriar el circuito, generalmente en verano. Podrá estar conectado directamente al circuito cerrado o indirectamente en circuito independiente y abierto que alimente un intercambiador o la unidad exterior de una bomba de calor para mejorar su rendimiento térmico (COP). Gracias a que el aire no pasa jamás al interior del espacio habitable, se elimina el inconveniente habitual de otros sistemas de captación geotérmica por aire, como el pozo provenzal o canadiense, afectados por problemas de condensaciones y proliferación de hongos o bacterias. En nuestra invención, la humedad del terreno en contacto con los elementos de captación exteriores es una ventaja, porque mejora la transmisión térmica.
3.~ Distribución vertical de la energía térmica e Inclusión de elementos de apoyo: A las perforaciones inferiores y superiores de la cubierta solar se les conectará los conductos de aire (11). Estos podrán ir dotados adicionalmente de una trampilla (19 en figura 2) accionada manual o mecánicamente para abrir el circuito cuando se produzca un exceso de calor, así como salida para un intercambiador aire-agua que permita la producción de agua caliente sanitaria (ACS) . Alternativamente los ductos verticales podrán hacerse con otros elementos constructivos como placas de cartón-yeso o tabiquerfa cerámica con hueco vertical. Al tratarse de conductos de aire, se les pueden integrar cualquier sistema de apoyo como estufas (16) con el encamisado de la chimenea por doble tubo concéntrico, unidades interiores de aire acondicionado (17) preferiblemente con fan coil y free cooling (18), calderas de cogeneración, y cualquier otro dispositivo presente o futuro que caliente o enfríe el aire o lo utilice como fluido portador. la ventaja económica es que suelen ser sistemas de coste inferior a los que utilizan el agua o IIquidos y las pOSibles fugas en el sistema carecen de importancia. Todo el sistema puede ser controlado por medio de ventiladores y compuertas, de forma manual o automatizada.

Claims (4)

  1. REIVINDICACIONES
    1.-Sistema de climatización termoactivo por aire con fuentes energéticas múltiples e
    integración arquitectónica caracterizado porque el aire se mueve, con la ayuda de
    S
    ventiladores, por un circuito cerrado que incluye el paso bajo el suelo, en contacto con
    losas o forjados, para que estos actúen como elementos de almacenamiento y radiación
    del calor o frío contenidos en el aire.
  2. 2.-Sistema de climatización termoactivo por aire según reivindicación 1 caracterizado
    porque el conducto del aire bajO el suelo tiene forma de laberinto para garantizar el
    10
    reparto uniforme del calor.
  3. 3.-Sistema de climatización termoactivo por aire, según reivindicación 1, con fuentes
    energéticas múltiples e integración arquitectónica caracterizado porque se utilizan los
    huecos interiores del forjado para pasar el aire y almacenar calor, dotándolos de unos
    pasos para el aire en sus extremos.
    lS
    4.-Sistema de climatización termoactivo por aire con fuentes energéticas múltiples e
    integración arquitectónica, según reivindicaciones 1, 2 Y 3, caracterizado por una cubierta
    captadora de energfa térmica solar que comprende una chapa grecada, la cual recibe en
    su cara exterior unas placas de vidrio, de tamaño y forma similar al resto de los elementos
    de cubierta, pizarra, placa o teja, para convertirse en captador de energía térmica a través
    20
    del aire que se hace fluir por los huecos que quedan entre la placa y el vidrio.
    S.-Sistema de climatización termoactivo según reivindicación nº 4 caracterizado porque
    las chapa grecada presenta un aislamiento resistente a altas temperaturas adherido a su
    cara inferior y unas perforaciones en sus extremos que permiten el paso del aire, sin
    dañar la capacidad impermeabilizante de la chapa.
    2S
    6.Sistema de climatización termoactivo por aire con fuentes energéticas múltiples e
    integración arquitectónica, según reivindicaciones 1, 2 Y 3, caracterizado porque el
    circuito de aire pasa por debajo de la losa de suelo o tras los muros de contención de
    sótano, en contacto directo con el terreno circundante, para captar su energ{a
    geotérmica, a la par que los conductos que constituyen esa parte del circuito realizan la
    30
    función de drenaje de las pOSibles humedades del subsuelo.
  4. 7.Sistema de climatización termoactivo por aire según reivindicaciones 1 y 2,
    caracterizado porque los duetos del circuito pueden admitir aportaciones de aire caliente
    o frío conectando otros sistemas comunes en climatización, tales como bombas de calor,
    chimeneas, estufas, o calderas del tipo que sean, incluidas las de cogeneración.
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