ES2985587T3 - Sistema de intercambio térmico para la regulación térmica de un edificio - Google Patents

Abstract

La invención se refiere a un sistema de intercambio de calor (S), dispuesto sobre la cubierta de un edificio (B), que comprende un sustrato (103) parcialmente saturado de agua y cubierto por una capa vegetal (101) que favorece la condensación y la evapotranspiración, y a un dispositivo de difusión térmica (200) que comprende una bomba (202) y una red colectora (201) que permite intercambios de calor con el volumen de intercambio (100). (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN

Sistema de intercambio térmico para la regulación térmica de un edificio

Campo técnico

[0001]La presente invención se refiere a un sistema de intercambio térmico que permite la regulación de la temperatura en el interior de un edificio. El sistema de intercambio térmico aprovecha en particular los aportes y disipaciones de calor debidos a la condensación y evaporación del agua. Unos modos de realización se refieren, entre otras realizaciones posibles, a una capa vegetada para un edificio que integra un circuito intercambiador de calor. La invención puede aplicarse a unas instalaciones que funcionan en modo monovalente, ya sea únicamente con energías renovables, o en combinación con una instalación térmica tradicional en modo bivalente. Permite calentar el interior del edificio, enfriarlo y combinar los modos de calefacción y refrigeración.

Estado de la técnica

[0002] Los sistemas de calefacción con bomba de calor (PAC) permiten transferir energía térmica de un medio a baja temperatura a un medio a alta temperatura. Las bombas de calor se utilizan cada vez más para el calentamiento de edificios y para la generación de agua caliente, de conformidad con su eficiencia energética superior. Para su funcionamiento, la bomba de calor depende de una fuente de frío que puede ser una sonda geotérmica, o simplemente la atmósfera, entre otros.

[0003] Los sistemas geotérmicos, tales como las sondas verticales y las cuencas planas, son conocidos por permitir regular la temperatura interna de los edificios al hacer circular un fluido caloportador en el subsuelo. Los sistemas de sondas verticales aprovechan esencialmente la inercia térmica de las capas profundas del subsuelo, a veces a varios cientos de metros de profundidad, que permite extraer de él energía residual durante las variaciones de temperatura exterior y se utilizan a menudo como fuente de frío para sistemas de calefacción con bomba de calor. Sin embargo, presentan el inconveniente de una longevidad limitada, en concreto, debido a los intercambios térmicos que tienden a reducir la energía recuperable con el tiempo, debido en concreto a un aporte de energía geotérmica demasiado bajo para mantener constante la temperatura en la fuente. Las instalaciones geotérmicas con una cuenca plana también requieren por otra parte enterrar los circuitos de fluido caloportador a profundidades suficientes para evitar las variaciones de temperaturas estacionales y, en concreto, las heladas. Las profundidades de entierro son generalmente de 1 metro o más, que requiere un considerable esfuerzo de instalación. Adicionalmente, el uso de sistemas geotérmicos requiere zonas grandes y libres, lo que puede resultar difícil o incluso imposible en las zonas urbanas, por falta de espacio y subsuelos obstruidos por tuberías o capas freáticas. Como resultado, se mantienen los sistemas de calefacción tradicionales, a veces a pesar de sus elevados costes operativos y su impacto ambiental.

[0004] Cuando no se dispone de fuentes térmicas geotérmicas, las bombas de calor pueden utilizar la atmósfera como fuente de frío, a través de un intercambiador de calor. Estas soluciones aerotérmicas están relativamente extendidas en regiones de clima templado, pero su rendimiento energético es menor y disminuye aún más a medida que baja la temperatura exterior. Por añadidura, el intercambio de calor aerotérmico requiere una ventilación forzada costosa y ruidosa, lo que limita el rendimiento energético y su uso en entornos urbanos.

[0005] También se conocen instalaciones en las que la energía térmica captada por los colectores solares se almacena en grandes acumuladores de agua caliente cuando la luz solar directa es suficiente, y se utiliza para calentar un edificio o producir agua caliente, normalmente mediante una bomba de calor que utiliza el depósito como fuente de frío. Sin embargo, estas soluciones requieren grandes tanques de acumulación aislados térmicamente, caros y voluminosos. Los colectores solares son también interdependientes de la temperatura exterior y no proporcionan refrigeración directa en verano.

El documento GB2516260 divulga un tejado cubierto por una capa de hierba con un circuito de captación de calor.

[0006] Por tanto, existe margen para desarrollar sistemas de intercambio térmico sencillos, energéticamente eficientes que permiten la recuperación del calor de forma renovable, siendo al mismo tiempo respetuosos con el medio ambiente y especialmente adecuados a zonas urbanas, y todas aquellas en las que sea imposible la instalación de otros sistemas energéticamente eficientes.

Breve sumario de la invención

[0007] La presente invención propone un sistema de intercambio térmico que limita los inconvenientes comentados anteriormente.

[0008] En particular, el sistema de intercambio térmico según la presente invención comprende un volumen de intercambio dispuesto en una superficie exterior aproximadamente horizontal superpuesta o adyacente al edificio, por ejemplo en un tejado del edificio, un dispositivo de difusión térmica que comprende al menos una red de recogida integrada en el volumen de intercambio, por ejemplo, un circuito hidráulico en el que se hace circular agua glicolada u otro fluido adecuado, para capturar el calor del sistema de intercambio térmico. De manera significativa, el volumen de intercambio comprende un sustrato de textura porosa y/o mesoporosa y/o microporosa, permitiendo que el agua y su superficie externa se mantengan en contacto con la atmósfera, así como una capa vegetal cubierta de vegetación de tipo muscinal.

[0009]Los términos "microporo" y "microporoso", así como "mesoporo" o "mesoporoso" designan cavidades cuyo tamaño es lo suficientemente pequeño como para impedir la circulación del agua por gravedad o por movimientos convectivos, pero aún suficiente para que las plantas puedan aprovechar el agua contenida en su interior. Numéricamente se puede considerar que los microporos tienen un tamaño entre 5 pm y 30 pm, mientras que los tamaños de los mesoporos se encuentran entre 30 pm y 75 pm, pero estos límites numéricos no son precisos. Los "macroporos", cuyo tamaño es aproximadamente superior a 75 pm, son demasiado grandes para dar lugar a fuerzas capilares significativas y tienen una capacidad de retención de agua muy limitada.

[0010]La ventaja de una vegetación de tipo muscinal proviene de su superficie de intercambio total altamente desarrollada y activa. Los intercambios térmicos con el entorno se deben principalmente a la condensación/evaporación del agua (y en menor medida a la solidificación/licuefacción y a la sublimación/gasificación). Esto permite aportes de energía latente muy importantes en invierno, así como pérdidas por evapotranspiración en verano. Estos aportes latentes, junto con los aportes de energía solar (radiación directa e indirecta) y sensible (aire, precipitaciones y edificio), así como un almacenamiento de energía suficientemente grande en un sustrato húmedo, permiten realizar una recuperación eficaz.

[0011]A diferencia de las cuencas planas más profundas de jardín, el sistema de la invención está significativamente más cerca de la superficie del sustrato y, de este modo, puede beneficiarse de otros aportes, tales como la radiación solar y la conducción de energía sensible (aire, precipitación y edificio), que permiten recargar el sistema en un ciclo nictemeral. A diferencia de los colectores solares térmicos, el sistema permite una mejor recuperación de la radiación solar indirecta en días nublados. En verano, las altas temperaturas del aire y de la superficie permiten la evaporación, que va acompañada de una mayor transpiración de las plantas, lo que resulta ventajoso, en el caso de las plantas muscinales, no tienen estomas para regular su pérdida de agua.

[0012]Preferentemente, el sustrato del sistema de recogida de la invención está al menos parcialmente saturado de agua y comprende una parte no saturada, así como de una parte saturada subyacente a la parte no saturada. Al mantener una parte del sustrato constantemente saturada de agua, se mejora la capacidad térmica de almacenamiento sin perder demasiado calor por convección. De hecho, la naturaleza porosa del sustrato impide la transferencia de energía térmica generada por los movimientos de convección del agua. Este sustrato permite por tanto un almacenamiento que está desvinculado de las necesidades térmicas y permite una recuperación de energía de tipo agua/agua, lo cual se asocia con eficiencias superiores al tipo suelo/agua o aire/agua. Es preferible utilizar un sustrato orgánico (natural o sintético) con una baja conductividad térmica, ligero (preferentemente con un peso saturado < 900 kg/m3) e imputrescible.

[0013]El sistema de recogida está preferentemente conectado a una bomba de circulación y/o a una bomba de calor que permite una recogida eficiente de la energía almacenada. Una variante de la invención también puede funcionar en modo "free-cooling", en el que el fluido contenido en el sistema de recogida se utiliza (directamente o mediante un intercambiador de calor) para enfriar el edificio sin pasar por la bomba de calor.

[0014]Preferentemente, la invención comprende uno o más sensores que permiten determinar uno o más parámetros ambientales tales como temperatura, humedad, etc. y una unidad de control que permite procesar los datos recopilados y controlar el funcionamiento del sistema de intercambio térmico.

[0015]Para poder hacer frente a condiciones climáticas adversas, por ejemplo, bajas temperaturas o precipitaciones abundantes, el sistema de la invención está diseñado para no afectar negativamente a la estructura del edificio en caso de heladas. Esto puede realizarse, entre otras cosas, mediante una o más zonas de amortiguación que comprenden unos elementos deformables, capaces de absorber la expansión del hielo sin comunicarla a la estructura del edificio. Para una mayor seguridad, el sistema puede estar equipado con un rebosadero para evacuar el exceso de agua, y el volumen de intercambio puede estar rodeado por un parapeto dispuesto en la periferia del volumen de intercambio cuya altura excede la del volumen de intercambio para contenerlo, fijado al edificio desde su periferia exterior, para que pueda ser reemplazado o reparado fácilmente.

[0016]La capa vegetada es de tipo muscinal. Abarca en particular especies vegetales tales como musgos, líquenes y otras especies asociadas. La capa muscinal incluye las variedades o especies vegetales no muscinales que se sabe que a menudo están presentes con las variedades muscinales o que viven en relación con ellas para satisfacer un ecosistema estable y perenne. La capa vegetada se selecciona de forma que favorezca la evaporación del agua, en concreto gracias a la transpiración de las especies vegetales utilizadas. Una capa vegetada muscinal está particularmente adaptada a la evaporación debido a la ausencia de estomas que caracteriza a tales especies. Por otro lado, dicha capa está compuesta por una infinidad de ramas foliares que representan una superficie total muy grande de condensación. Otra ventaja de estas especies vegetales es la ausencia de un sistema radicular que podría alterar los gradientes térmicos en el volumen de intercambio y crear puentes térmicos no deseados entre la superficie y las capas profundas. Esta ausencia de raíces también permite conservar mejor la capa impermeabilizante del edificio. Las plantas muscinales presentan una excelente resistencia a la desecación y a las heladas, así como un albedo más ventajoso que los pavimentos bituminosos o de grava.

[0017]La altura relativa de las partes saturadas e no saturadas del sustrato depende de los requisitos de la tasa de evaporación, de la duración de la regulación térmica o de otros factores. En particular, es importante que el gradiente de humedad en la parte superior del sustrato se pueda mantener relativamente constante, manteniendo una humedad suficiente en la capa vegetada para mantenerla activa.

[0018]Teniendo en cuenta, la ligereza y la altura reducida del sustrato, los circuitos de recogida están preferentemente fijados a una estructura elástica para poder gestionar la conducción y la dilatación térmica. Esta estructura puede estar constituida por un marco flexible plano colocado sobre una capa de fieltro resistente a las torsiones, cizallamientos y perforaciones. Este fieltro de protección de al menos 5 mm tiene la doble función de retener el agua y de proteger las capas impermeabilizantes subyacentes. Las condiciones en la zona saturada del sustrato son: nivel de humedad cercano a la saturación, concentración de oxígeno reducida y pH ácido-básico. El marco está fabricado preferentemente con materiales capaces de tolerar este entorno. Para esta aplicación se pueden utilizar varios materiales plásticos y ciertos tipos de madera o bambú. No obstante, la mayoría de los metales utilizados en el campo de la construcción pueden liberar elementos tóxicos para la vegetación muscinal.

[0019]La presente invención está especialmente adaptada a los trazados urbanos, facilitando la implementación de dispositivos económicos y ecológicos. Además de la regulación térmica de un edificio, la invención también permite realizar una revegetación menor de bajo mantenimiento, y que puede combinarse con la instalación de otros dispositivos de recuperación de energía renovable, como paneles fotovoltaicos o colectores térmicos. La presente<invención también permite proporcionar servicios ecológicos tales como: secuestro de CO>2<atmosférico, diversificación>ecológica, retención y reducción del flujo de agua, protección térmica y acústica, regulación microclimática y estética ambiental.

Breve descripción de las figuras

[0020]Se indican unos ejemplos de implementación de la invención en la descripción ilustrada por las figuras adjuntas:

• Figura 1a: vista esquemática superior de un sistema de regulación térmica según la invención

• Figura 1b: vista esquemática en sección lateral de la conexión de las tuberías de recogida a la red externa

• Figura 2: Vista esquemática en sección de un sistema de regulación térmica según la invención

• Figura 3: Detalle en sección de una evacuación de agua según un modo de realización de la invención

• Figuras 4a y 4b: esquema de funcionamiento de la invención según un modo de realización en free-cooling, respectivamente con una bomba de calor para la calefacción y/o la producción de agua caliente sanitaria.

• Figura 5: vista esquemática en sección de una zona de amortiguación de la presente invención

<• Figura>6<: vista en sección lateral del sistema de regulación térmica e hídrica según la invención>

Eiemplo(s) de modo de realización de la invención

[0021]Con referencia a las figuras 1a, 1b y 2, el sistema de intercambio térmico5según la presente invención comprende un volumen de intercambio100dispuesto en la parte superior o adyacente de un edificioB. La parte superior o adyacente de un edificio se entiende como cualquier superficie aproximadamente horizontal en contacto con el aire libre, incluye el techo, una terraza, o cualquier otra parte que cubra una superficie del edificioB. El edificioBincluye edificios residenciales, que comprenden una o más plantas tales como 2, 3, 4, 5 plantas o más, comercios, talleres, garajes, almacenes y cualquier otra construcción que requiera una regulación térmica.

[0022]El volumen de intercambio100comprende una superficie externaS100en contacto con el aire libre y que permite modular los intercambios con la atmósfera. Los intercambios con la atmósfera incluyen, por ejemplo, la recepción de radiación solar directa e indirecta, condensación y evaporación de agua atmosférica, difusión térmica, recogida de agua de lluvia, evaporación de la humedad presente en el volumen de intercambio100y, en concreto, la evapotranspiración de la humedad por las superficies activas de la vegetación.

[0023]El volumen de intercambio100comprende, debajo de la superficie externaS100, un sustrato103que permite almacenar energía. El sustrato103comprende, a tal efecto, unos elementos macroporosos (estructurales), mesoporosos y/o microporosos (texturales) que permiten retener la mayor parte del agua y limitar la circulación por convección, permitiendo al mismo tiempo cierto drenaje. Puede contener, por ejemplo, lignina, puzolana, arcilla expandida, aluminosilicatos (p. ej., zeolita, perlita) o cualquier otro material ligero de textura mesoporosa y/o microporosa que permita retener la humedad. Es importante que el sustrato103sea lo suficientemente ligero como para no comprometer la estabilidad de la estructura del edificioB. Además, estos materiales porosos están compuestos por elementos de baja conductividad térmica en comparación con el agua que contienen, y limitan los intercambios térmicos por convección al atrapar agua en sus poros. Las propiedades físicas del sustrato103permiten un gradiente de temperatura significativo entre la superficie externaS100y la superficie del edificioB, para que en invierno, la parte inferior del sustrato103normalmente se encuentra sin escarcha en un clima templado.

[0024]Unos materiales minerales como tierra, arcilla o grava son, a tal efecto, demasiado pesados para utilizarse en tales estructuras. También es importante que el sustrato103se no putrescible para perdurar en el tiempo. Unos materiales totalmente naturales, unos materiales compuestos o unos materiales sintéticos pueden utilizarse, así como la mezcla de dichos materiales. El sustrato103puede ser uniforme o estar compuesto por varias capas superpuestas de distintos materiales. Los materiales utilizados no deben alterar química o físicamente las capas impermeabilizantes subyacentes.

[0025]El agua retenida en la porosidad del sustrato103sirve como depósito energético, en particular por su capacidad térmica elevada. Este depósito funciona como fuente o disipador de calor dependiendo de la estación o ciclo térmico considerado. Cuando se alcanzan las capacidades máximas de agua del sustrato103, el agua permanece en forma libre en la parte inferior del volumen de intercambio100. La parte del sustrato103entonces sumergida corresponde a la parte saturada de agua103b. La parte del sustrato103no sumergida en agua residual corresponde a la parte no saturada103a. La parte no saturada participa en la modulación de los intercambios con la atmósfera, en concreto gracias a su capilaridad que permite la migración del agua desde la parte saturada103bhacia la superficie externaS100. De manera preferente, el sustrato103se determina de manera que se mantenga constante, o aproximadamente constante, el gradiente de humedad entre la superficie externaS100y la parte saturada103b, en concreto durante la evaporación del agua por la superficie externaS100. Ventajosamente, el gradiente de humedad se mantiene independientemente de la cantidad de agua presente en la parte saturada103b, y hasta que esté completamente seco. La altura del sustrato y de la superficie externaS100está dimensionada de manera que, cuando el volumen100esté saturado, no se supere la carga ponderal máxima determinada por la estructura del edificio.

[0026]La altura de la parte saturada103bpuede limitarse mediante uno o más dispositivos de flujoE1,E2proporcionados en el sistema de intercambio térmicoS.La altura máxima se puede predeterminar en función de los parámetros climáticos específicos de la ubicación, tales como la frecuencia y la cantidad de precipitaciones, la cantidad de condensación o evaporación, y cualquier otro parámetro relevante, siendo el objetivo mantener una reserva de energía suficiente gracias a la parte saturada103b. En caso de que los aportes naturales de agua sean insuficientes, se puede prever una entrada de agua que se puede activar para preservar la parte saturada103b.

[0027]Uno o más dispositivos de flujo verticalE1, dispuestos en el sustrato103, pueden proporcionarse adicional o alternativamente. Según un modo de realización ilustrado por la figura 3, el dispositivo de flujo verticalE1es un tamiz105, permeable al agua y resistente a presiones laterales del volumen100. El tamiz105tiene una forma hueca, por ejemplo cilíndrica y contiene un espacio libre106en su interior. El tamiz105puede adoptar la forma de una malla fina, 0 de un material poroso o de cualquier otro dispositivo que tenga propiedades filtrantes, de forma que deje pasar únicamente el agua y retenga el resto de los elementos del volumen de intercambio100en el techo del edificioB. El espacio106está en equilibrio hidrostático con el agua contenida en el sustrato103. Una tubería107permite el flujo de agua tan pronto como el nivel supere la altura "h" de su borde superior. El tamiz cilíndrico105puede estar coronado con una placa de protección108. En caso de necesidad, la altura del borde superior de la tubería vertical se puede regular manualmente o automáticamente mediante una unidad de control300, en función de los parámetros ambientales.

[0028]Uno o más dispositivos de flujo de seguridadE2, dispuestos en la periferia del volumen de intercambio100, pueden utilizarse para evacuar el exceso de agua, en caso de precipitaciones extremas, garantizando así que no se supere la carga ponderal máxima.

[0029]El sistema de intercambio térmicoScomprende además un dispositivo de segregación104que permite aislar térmicamente el edificioBdel sustrato103. El sistema de segregación104es en particular resistente al agua y a la humedad. Puede comprender una o más capas simples, o una o más capas múltiples. El dispositivo de segregación104comprende, en el ejemplo ilustrado, una o más capas de revestimiento impermeable104b, como los revestimientos habitualmente utilizados para impermeabilizar edificios. El revestimiento impermeable104bpuede estar hecho de material alquitranado, o bien de material de plástico impermeable o de otros materiales equivalentes, ya sea individualmente o en combinación. La elección del material se realiza teniendo en cuenta las condiciones de acidez presentes en la zona saturada103bdel sustrato. El revestimiento impermeable104bpuede comprender varias capas de un mismo material o bien de materiales distintos. El espesor del revestimiento impermeable es del orden de 1<a>10<milímetros, típicamente entre>2<y>6<mm.>

[0030]El revestimiento impermeable104bestá ventajosamente protegido por una capa protectora104a. La capa protectora104aprotege el revestimiento impermeable104bde posibles impactos o daños causados por el sustrato103. Esta capa protectora es en concreto útil en el caso de que haya elementos angulares presentes en el sustrato103. La capa de protección104apuede adoptar la forma de un fieltro de protección, preferentemente no biodegradable. La capa de protección104apuede alternativamente comprender un material flexible, semirrígido o rígido, o una combinación de dichos materiales. Una combinación de este tipo también puede incluir unas placas prefabricadas de drenaje y de almacenamiento de agua colocadas sobre una capa flexible. El espesor de la capa de<protección 104a es del orden de 1 mm a 10 cm, en particular del orden de 3 a>6<mm.>

[0031]El sistema de segregación104está provisto preferentemente de una capa térmicamente aislante horizontal104c. Cualquier material aislante conocido y habitualmente utilizado puede actuar como capa aislante horizontal104c. La capa aislante horizontal104cpuede ser, por ejemplo, una capa de poliestireno expandido, o unos paneles de lana de roca o de vidrio, u hormigón celular. La capa aislante horizontal104cse dispone debajo del revestimiento impermeable104bpara permanecer protegida de la humedad. Una capa subyacente de barrera de vapor104dpuede disponerse en la superficie del techo del edificioB. Una capa superficial de barrera de vapor104dpuede disponerse de manera adicional o como alternativa en la superficie externa de la capa aislante horizontal104c, de acuerdo con las prácticas habituales. Cada capa de barrera de vapor tiene un espesor de unos pocos milímetros, típicamente de 1 a 5 mm. El espesor de la capa aislante horizontal104ces variable en función de los objetivos de aislamiento buscados.

[0032]Los intercambios térmicos entre el interior del edificioBy el sistema de intercambio térmico5se llevan a cabo mediante un dispositivo de difusión térmica200, que comprende una o más bombas y una o más redes de tuberías201así como, preferentemente, un intercambiador de calor para el funcionamiento en free-cooling204. En particular, el dispositivo de difusión térmica200comprende una o más redes de recogida201adispuestas en el sustrato103para hacer circular un fluido de caloportador a través del volumen de intercambio100. Las tuberías de la red de recogida201ase pueden disponer en espirales, en serpentinas, en líneas paralelas sobre toda la superficie de intercambio100, según una red mallada, según una disposición circular, o según cualquier otra configuración que el experto en la materia considere pertinente. La red de recogida201apuede incluir, en lugar de las tuberías tubulares representadas o en combinación con las mismas, unos sistemas planos de circulación de fluido caloportador planos, por ejemplo, constituidos por placas de intercambio térmico en cuyo interior se puede establecer una circulación completa de fluido caloportador.

[0033]Varias redes de recogida201apueden estar conectadas en paralelo entre sí mediante un distribuidor de calor. Cabe señalar que la densidad de recogida máxima del sistema de intercambioS, en metros de tubería por metro cuadrado de superficie, puede ser más elevada que en un sistema de recogida plano de jardín. La densidad y el número de tuberías de recogida y/o las placas de intercambio de calor201adeben adaptarse a las necesidades y al modo de calefacción o refrigeración (monovalente, con una sola fuente, o bivalente, con varias fuentes de energía). Las tuberías de recogida y/o las placas de intercambio de calor201adispuestas en el volumen de intercambio son preferentemente flexibles o semirrígidas. Están más particularmente dispuestas en la parte saturada103by están fijadas a un marco flexible166colocado en plano sobre la capa de protección104a. La red de recogida201aforma preferentemente un circuito cerrado, térmicamente conectado a la red interna201c, que permite que otro fluido caloportador circule por el interior del edificio B. La conexión térmica entre la red de recogida201ay la red interna201cse puede llevar a cabo, por ejemplo, utilizando una red externa201b.

[0034]El fluido que circula por las tuberías de circulación201puede ser agua, posiblemente con aditivos de anticongelante, tal como etilenglicol, componentes anticorrosivos, o fungicidas o bactericidas, o una mezcla de dichos compuestos. Alternativamente, el fluido puede ser otro líquido caloportador, o caloportador, habitualmente utilizado en los sistemas de refrigeración o calefacción. El fluido caloportador que circula por la red de tuberías internas201ces preferentemente agua.

[0035]El dispositivo de difusión térmica200de la invención puede comprender una bomba de calor203para el funcionamiento en régimen de calefacción o de producción de agua caliente sanitaria, y/o un intercambiador de calor204para el funcionamiento en régimen de refrigeración "free-cooling". Las figuras 4a y 4b ilustran estas configuraciones de funcionamiento. La conmutación entre estos dos regímenes de funcionamiento se realiza preferentemente mediante un conjunto de válvulas automáticas de tres vías, no representadas.

[0036]Las tuberías internas201cse puede disponer en un termosifón, favoreciendo así la libre circulación del fluido. Puede resultar ventajoso incluir un acelerador o una bomba de circulación206que permite activar la circulación del fluido. La circulación del fluido caloportador en el circuito externo201bes proporcionada preferentemente por una bomba de circulación202.

[0037]El régimen de funcionamiento en "free-cooling" ilustrado por la figura 4a se activa preferentemente cuando la temperatura exterior Ta es superior a un umbral predeterminado, por ejemplo 25 °C. Bajo estas condiciones, la humedad del sustrato103se evapora. Además, la capa de vegetación muscinal101, que no posee estomas, transpira abundantemente y funciona como una bomba de calor inversa. Gracias a la pérdida de calor latente debido a este<proceso de evapotranspiración bioactiva, la temperatura del sustrato Tsub puede ser entre>6<y 9 °C más baja que la>temperatura del aire Ta, que es suficiente para enfriar el edificio, a través del intercambiador de calor de placas204.

[0038]En el régimen de funcionamiento de calefacción ilustrado por la figura 4b, los musgos de la capa vegetada101, funcionan como un núcleo de condensación/congelación/sublimación eficientes para la recuperación de aportes de energía latente. La lluvia, el aire así como la estructura externa del edificio son otras fuentes significativas de calor sensible. En invierno, la evapotranspiración es demasiado baja para contrarrestar los aportes.

[0039]El sustrato orgánico saturado de agua103bpermite un almacenamiento de calor en un ciclo nictemeral (día/noche) y temperaturas de recogida desfasada respecto a la temperatura del aire exterior, el resultado es un rendimiento muy superior al de un sistema aerotérmico aire/agua. Las pérdidas de calor por movimientos convectivos están limitadas por la porosidad del sustrato103. Los tubos de recuperación de calor y/o las placas de intercambio térmico colocados entre 18 y 50 cm por debajo de la superficie normalmente no se congelan en condiciones climáticas templadas. Sin embargo, en climas montañosos o continentales (normalmente con una temperatura media del aire negativa en el mes más frío), pueden proporcionarse dispositivos de protección contra las heladas, así como una adaptación de las condiciones de presión y de temperatura en el evaporador del circuito de compresión-expansión de la bomba de calor203.

[0040]Cabe destacar que el modo de funcionamiento en calefacción está activo en invierno y además, de forma intermitente en verano para la producción de agua caliente sanitaria. Durante los meses de verano, la bomba de calor203, al extraer calor del sustrato103b, contribuirá a reducir la temperatura Tsub y a maximizar la eficiencia del sistema free-cooling de la figura 4a. La temperatura elevada del sustrato en verano, permite calentar agua caliente sanitaria con mayor eficiencia que un sistema suelo/agua con sonda geotérmica vertical.

[0041]Según un modo de realización particular, las bombas de circulación202,206, la bomba de calor203, y las válvulas necesarias para la conmutación entre refrigeración y calefacción pueden conectarse a una o más sondas térmicas para activarse automáticamente si es necesario, especialmente cuando las temperaturas del volumen de intercambio100y/o del interior del edificioBse consideran aptas para el intercambio de calor. La activación de la bomba de calor y de las bombas de circulación puede estar sujeta a estas mediciones de temperatura para que la temperatura se regule automáticamente.

[0042]Según otro modo de realización, las tuberías internas201co externas201bestán conectadas o integradas en un circuito tradicional de calefacción o refrigeración. Pueden conectarse a una o más válvulas, lo que les permite conectarse a un circuito preexistente o aislarse de dicho circuito. Un circuito preexistente puede ser, por ejemplo, un circuito geotérmico que es necesario completar con el sistema de intercambio térmico objeto de la presente invención, o una instalación de calefacción central tradicional, o una instalación de colectores solares. La bomba de calor se puede conectar entonces en modo bivalente con una o más redes térmicas mediante una o más válvulas de 3 vías o de 4 vías.

[0043]<Con referencia ahora a las figuras 2, 5 y>6<, el volumen de intercambio 100 comprende ventajosamente una o>más zonas de amortiguaciónZdestinadas a absorber las posibles variaciones de volumen del sustrato103debido, en concreto, a variaciones de temperatura o de higrometría o a heladas en climas con una temperatura media negativa para el mes más frío. La o las zonas de amortiguaciónZpueden extenderse, por ejemplo, a toda la periferia del volumen de intercambio100o en una porción de esta periferia. Alternativamente o además, una o más zonas de amortiguaciónZpueden disponerse en el volumen de intercambio100, por ejemplo, en forma de líneas transversales espaciadas entre sí por una distancia predeterminada, o en forma de islotes.

[0044]La o las zonas de amortiguaciónZcomprenden unos elementos elásticamente deformablesZ1yuxtapuestos entre sí. Tales elementos elásticamente deformablesZ1pueden comprender, por ejemplo, espumas sintéticas de células cerradas no biodegradables tales como espumas de neopreno, nitrilo butadieno o etilenvinilacetato. Preferentemente no se utiliza poliuretano debido al riesgo de reacción con la acidez del sustrato103. Los elementos deformablesZ1pueden comprender cilindros huecos, cuyo diámetro interior corresponde a un tercio o a la mitad, o a dos tercios del diámetro exterior. Preferentemente, el diámetro interior de cada cilindro que contiene aire, corresponde a la mitad del diámetro exterior. La pared de los cilindros es estanca al agua. Los cilindros huecos pueden estar simplemente unidos o asociados entre sí mediante medios de contacto y sujeción. Se pueden utilizar espumas sintéticas como medio de contacto y sujeción.

[0045]Para constituir la o las zonas de amortiguaciónZ, los elementos elásticamente deformablesZ1se puede yuxtaponer verticalmente sobre toda la superficie cubierta por estas zonas de amortiguaciónZ.

[0046]Los elementos deformablesZ1pueden tener la altura del sustrato103de modo que puedan quedar cubiertos por la superficie externa5100, en particular si la superficie externaS100es una capa vegetada101que comprende opcionalmente un dispositivo anti-raíces102. Alternativamente, pueden tener una altura inferior a la del sustrato103, correspondiente por ejemplo a la altura de la parte saturada103b. Los efectos de dilatación, debido a las heladas, por ejemplo, quedan así neutralizados. Alternativamente, en el caso de un sustrato103heterogéneo que comprende varias capas, la altura de los elementos deformablesZ1puede coincidir con el espesor de una o más capas del sustrato103. Los elementos deformablesZ1pueden disponerse directamente sobre el dispositivo de segregación104. La o las zonas de amortiguaciónZtienen una anchura comprendida preferentemente entre 5 y 30 cm, en función de su número y de la superficie cubierta por la superficie de intercambio. Más particularmente, la anchura de las zonas de amortiguaciónZestá comprendida 15 y 20 cm.

[0047]El volumen de intercambio100está delimitado preferentemente por un parapetoP, que puede incorporarse, por ejemplo, en la prolongación de la altura de las paredes del edificioB. Por supuesto, pueden preverse otras disposiciones particulares sin perjuicio de la presente invención, como, por ejemplo, un parapeto colocado detrás con respecto al borde del techo. El parapetoPpuede comprender un revestimiento exterior de fachada metálico, de concreto, de material compuesto o de madera. Alternativamente, el parapetoPAGes la simple prolongación vertical de las paredes del edificioB. El parapetoPexcede el volumen de intercambio100para contenerlo. El parapetoPes preferentemente un revestimiento exterior de fachada fijado a un marco desde el exterior del edificioB, para que pueda ser retirado o reemplazado fácilmente. Puede actuar como un segundo nivel de seguridad (no elástico) en caso de un evento improbable de congelación extrema que provocaría una dilatación del volumen de hielo no homogéneo en toda la superficie de intercambio.

[0048]De manera opcional, una capa aislante vertical104e(visible en la figura 2) se puede insertar a lo largo del parapetoP, en su parte interna. La capa aislante vertical104epuede recubrirse con un revestimiento impermeable104by una capa protectora104a, que pueden ser diferentes de las capas correspondientes dispuestas horizontalmente entre el volumen de intercambio100y el edificioB. Preferentemente, las capas de revestimiento impermeable104by de protección104adispuestas verticalmente a lo largo del parapetoPo en su caso la capa aislante vertical104e, se confunden con capas de revestimiento impermeable104by de protección104adispuestas horizontalmente entre el volumen de intercambio100y el edificioB, para garantizar la máxima estanqueidad.

[0049]La o las zonas de amortiguaciónZpueden disponerse entre el parapetoPy, llegado el caso, la capa aislante vertical104e. Alternativamente, como se ilustra en las figuras 2 y 5, la zona de amortiguación está dispuesta entre el sustrato103y la capa aislante vertical104e.

[0050]El parapetoP, la capa aislante vertical104ey las capas de revestimiento impermeable104by de protección104a, pueden estar rematadas con un perfil metálico que les protege de las inclemencias del tiempo y de las radiaciones UV que, en última instancia, podrían alterar estos elementos. El paso del circuito de la red de recogida201a(o de la red externa201b) se realiza preferentemente mediante un codo en forma de U (visible en la figura 1b) en lugar de mediante conexiones pasantes.

[0051]El volumen de intercambio100puede opcionalmente comprender rebajes para permitir el paso de tuberías de evacuación de aire o la instalación de dispositivos particulares, tales como aireadores, ventiladores, bases de anclaje para paneles solares o cualquier otro dispositivo habitualmente fijado a tejados. En la ubicación de estos dispositivos se pueden proporcionar unas zonas de amortiguación Z.

[0052]<Según la invención, ilustrada por la figura>6<, la superficie externa S100 comprende una capa vegetada 101>en contacto con el entorno exterior. La capa vegetada101pueden comprender varias especies vegetales de tipo muscinal que se sabe que cubren la superficie sobre la que se disponen. Tales especies pueden comprender, por ejemplo, musgos, líquenes y cualquier otra especie de cobertura, así como sus mezclas. Las especies preferidas son aquellas cuya altura sigue siendo limitada, para restringir las operaciones de mantenimiento como podas o cortes, o para limitar el sombreado de una posible instalación de paneles fotovoltaicos o colectores solares. Se seleccionan preferentemente especies vegetales robustas, en concreto por su resistencia a largos períodos de sequía, de modo que no se requiera ningún dispositivo de riego, aunque dicho dispositivo puede proporcionarse opcionalmente.

[0053]La capa vegetada101incluye en particular musgos y otras especies asociadas. Estas variedades de cobertura y resistentes a períodos de sequía, requieren poco mantenimiento. Estas variedades también tienen la característica de no contener estomas, a diferencia de la mayoría de las otras especies vegetales. Por lo tanto, la evapotranspiración no está limitada en períodos calurosos, lo que contribuye a enfriar la superficie sobre la que se dispone la capa vegetada101. La evapotranspiración de la capa vegetada101participa en la modulación activa de los intercambios con el entorno exterior.

[0054]El volumen de intercambio100comprende ventajosamente en este caso un dispositivo anti-raíces102. Un dispositivo anti-raíces102puede adoptar la forma de una capa de materiales resistente a la perforación, permeable al agua y no biodegradable, dispuesta debajo de la capa vegetada101para evitar el enraizamiento de especies vegetales no deseadas. De hecho, es posible que las variedades con raíces profundas crezcan de forma descontrolada y deterioren el sistema de regulación térmica S o incluso elementos relacionados, como el edificioBo algunos de sus constituyentes. El dispositivo anti-raíces102previene selectivamente el enraizamiento de plantas vasculares, sin limitar el desarrollo de musgos y plantas muscinosas que no tienen raíces. El material utilizado puede ser, por ejemplo, un geotextil hecho a base de polímeros naturales o sintéticos. El dispositivo anti-raíces102puede alternativamente comprender un geocolchón o cualquier otro elemento poroso y no biodegradable que pueda impedir o retrasar el enraizamiento de especies vegetales. Preferentemente el dispositivo anti-raíces102está incluido en el sustrato103a una distancia de la superficie externaS100entre unos pocos milímetros y 1 o 2 centímetros. Alternativamente, el dispositivo anti-raíces102se dispone sobre la superficie del sustrato103. Según esta disposición, el dispositivo anti raíces102permite sin embargo el desarrollo de una capa vegetada101. En concreto, su porosidad puede ser suficientemente grande para albergar musgos.

[0055]Las especies vegetales muscinales no cuentan con un sistema radicular para extraer activamente del suelo los nutrientes necesarios para su sustento y su crecimiento: sus rizoides tienen principalmente una función de anclaje.

El aporte de nutrientes procedentes de las precipitaciones suele ser suficiente para el desarrollo de la capa de vegetación muscinal y no es necesario ningún enriquecimiento del sustrato. Por el contrario, las especies muscinales en cuestión se benefician de sustratos pobres en nutrientes, con un pH neutro a ácido. Con este tipo de sustrato, por añadidura, se excluye cualquier riesgo de contaminación de aguas grises.

[0056]El espesor del sustrato103, del dispositivo anti-raíces102y de la capa vegetada101es preferentemente del orden de 10 a 50 cm, más particularmente del orden de 15 a 20 cm. La altura de la parte saturada103bes del orden de unos pocos centímetros, típicamente entre 3 y 15 cm. La altura del volumen de la parte saturada103bpuede diseñarse para que coincida con un tercio, la mitad o dos tercios de la altura del sustrato103según sea necesario. En el caso de flujos verticales centrales en la superficie del edificio con ligeras pendientes dirigidas hacia estos flujos, el<nivel de la parte saturada se puede planificar de manera que alcance>1-2<cm por debajo de la junta entre la superficie>del dispositivo de segregación104y el parapetoP, para evitar cualquier posibilidad de presión debido al aumento del volumen de agua tras la congelación. En ese caso, la zona de amortiguación no es forzosamente necesaria, ya que la zona drenada que está en contacto con los parapetos, es incluso capaz de absorber movimientos de dilataciones.

[0057]De manera opcional, el sistema de intercambio térmico5según la presente invención puede comprender o estar conectado a una instalación300que comprende uno o más sensoresC1,C2,que permiten determinar uno o más parámetros ambientales como la higrometría, la temperatura, el viento, la luz solar, y cualquier otro parámetro ambiental que pueda influir en el estado del sustrato103, y en particular de la parte saturada103b. Los datos se pueden transmitir a través de una conexión por cable o una conexión inalámbrica a una unidad de control central310que comprende los medios necesarios para procesar los datos y determinar las condiciones óptimas relativas a los intercambios térmicos entre el interior del edificioBy el sistema de intercambio térmicoS. Alternativamente, los datos ambientales se pueden transmitir desde una estación meteorológica o un centro de medición alejado del edificioB. El procesamiento de datos puede incluir su registro y el aprendizaje de un programa de inteligencia artificial que permita determinar los parámetros de intercambios térmicos entre el interior del edificioBy el sistema de intercambio térmicoS.

[0058]La presente invención abarca además un método de regulación térmica que comprende una etapa de evaporación de agua para enfriar un sustrato103como se describió anteriormente. El enfriamiento del sustrato103se realiza en particular gracias a la evapotranspiración de una capa vegetada101cuidadosamente seleccionada. Las especies vegetales se seleccionan en particular entre aquellas que carecen de medios para regular su transpiración y, en particular, que carecen de estomas. En este caso, las especies muscinales como los musgos o los líquenes son particularmente adecuadas.

[0059]El método según la presente invención permite una regulación térmica activa gracias al volumen de intercambio100descrito anteriormente.

[0060]El sistema de calefacción y refrigeración de la presente invención aprovecha en particular los aportes de energía latente de condensación para la calefacción, las pérdidas de energía latente de evaporación para la refrigeración, así como la inercia térmica del agua. La invención se basa en modos monovalentes de energía renovable y también se puede combinar en modo bivalente con una instalación térmica tradicional. Permite calentar el interior del edificio, refrigerarlo, y alternar los modos de calefacción y refrigeración de forma sinérgica.

Números de referencia empleados en las figuras

[0061]

100<volumen de intercambio>

101<capa vegetada>

102<dispositivo anti-raíces>

103 sustrato

103a parte no saturada

103b parte saturada

104 dispositivo de segregación

104a capa protectora

104b revestimiento impermeable

104c capa aislante horizontal

104d barrera de vapor

104e capa aislante vertical

105 tamiz

106 espacio libre

107 tubería vertical

108 placa de protección

166 marco flexible

200<dispositivo de difusión térmica>

201<tubería de circulación>

201<a red de recogida>

201<b red externa>

201<c red interna>

202<bomba de circulación>

203 bomba de calor

204 intercambiador de calor free-cooling

206 bomba de circulación

300 unidad de control

310 central de control

B edificio

C1 sensor

C2 sensor

E1 dispositivo de flujo vertical

E2 dispositivo de flujo de seguridad

P parapeto

S sistema de intercambio térmico

S100 superficie externa

Z zona de amortiguación

Z1 elementos deformables

Claims (9)

REIVINDICACIONES

1. Sistema de intercambio térmico (S) que permite la regulación térmica en el interior de un edificio (B), que comprende<un volumen de intercambio (>100<) configurado para disponerse en una superficie exterior aproximadamente horizontal>superpuesta en o adyacente al edificio (B), y una red de recogida (201a) integrada en el volumen de intercambio (100) para atrapar el calor,caracterizado por queel volumen de intercambio (100) comprende una superficie externa (5100) en contacto con la atmósfera y un sustrato poroso (103) que permite retener agua, ypor quela superficie externa (S100) es una capa vegetada (101) de tipo muscinal.

2. Sistema según la reivindicación 1,caracterizado por queel sustrato (103) comprende una parte no saturada (103a) y una parte saturada (103b) subyacente a la parte no saturada (103a).

3. Sistema según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que tiene un dispositivo de difusión térmica (200)<que comprende una bomba de circulación (>202<).>

4. Sistema según la reivindicación anterior,caracterizado por queel dispositivo de difusión térmica (200) comprende una bomba de calor (203) y/o un intercambiador de calor (204).

5. Sistema según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores,caracterizado por quecomprende uno o más sensores (C1, C2) que permiten determinar uno o más parámetros ambientales y una unidad de control (300) que permite procesar los datos recopilados y controlar el sistema de intercambio térmico (S).

6<. Sistema según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que el volumen de intercambio>(100) comprende además una o más zonas de amortiguación (Z) que constan de unos elementos deformables.

7. Sistema según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores,caracterizado por quecomprende un parapeto (P) dispuesto en la periferia del volumen de intercambio (100), y cuya altura excede la del volumen de intercambio<(>100<) con el fin de contenerlo.>

8<. Sistema según la reivindicación anterior, caracterizado por que el parapeto (P) está configurado para ser fijado al>edificio desde su periferia exterior, para que pueda ser reemplazado o reparado fácilmente.

9. Procedimiento de regulación térmica de un edificio (B) con el entorno exterior,caracterizado por quelos intercambios térmicos se llevan a cabo a través de un sistema de intercambio térmico (S) como se describe en las reivindicaciones 1 a 9.