Ciencia de la construcción

Consideraciones sobre el diseño de techos al incorporar energía solar

Por Jennifer Keegan

27 de agosto de 2019

Solar panels

Si se instalaran sistemas fotovoltaicos (paneles solares) en todos los edificios comerciales de los EE. UU. con techos de más de 5,000 ft², se estima que suministrarían la energía suficiente para abastecer casi el 60 % de la demanda de electricidad comercial total. Los techos comerciales son una opción atractiva como plataforma para instalar paneles solares con el fin de contribuir a la conservación y generación de energía, así como iniciativas de energía comunitarias y corporativas. Sin embargo, es importante recordar que la principal función del techo es proteger el edificio y sus contenidos de las condiciones climáticas.

Al considerar el aprovechamiento de energía solar en el techo, el sistema de techo debe estar diseñado para ofrecer una vida útil equivalente o más prolongada que la de los paneles solares. Ya sea un techo nuevo con paneles solares o al que se le instalarán paneles solares en el futuro cercano, o un techo existente al que se le hará una instalación solar, existen numerosas consideraciones importantes que deben tenerse en cuenta al diseñar el sistema de techo y la disposición de los paneles.

Durabilidad del sistema de techo

Los paneles solares tienen una vida útil económica de hasta más de 25 años. En los sistemas solares para techos comerciales, a menudo resulta demasiado costoso retirar los paneles solares, instalar un nuevo techo y volver a instalarlos. Por lo tanto, el mejor momento de instalar un sistema solar en el techo es inmediatamente después de la instalación de un techo nuevo o inmediatamente después de la construcción de un edificio nuevo. El problema clave aquí es que el sistema de techo debería tener una vida útil prevista igual o superior a la de la vida útil prevista de los paneles solares. Para especificar un sistema de techo que sea igual de duradero que el sistema solar, los diseñadores deben considerar lo siguiente:

  • Membranas de techo adheridas con mayor resistencia al calor y espesor en milésimas de pulgada.
  • Incorporación de un tablero para cubierta.
  • Uso de aislante rígido de alta resistencia a la compresión
  • Garantía del sistema de techo que supere la vida útil prevista de los paneles solares.

Membranas para techo

Por su naturaleza, las membranas para techo reflectantes son beneficiosas para reducir la acumulación de calor alrededor de los paneles solares, ya que la temperatura que estos últimos tengan puede tener un impacto significativo en su producción de electricidad. A mayor temperatura, menor producción de energía. Estimamos que la eficiencia de un panel solar es hasta un 13 % más alta cuando se instala sobre una membrana de alta reflectancia, en comparación con la instalación sobre una membrana oscura con baja reflectancia. Además, el uso de paneles solares bifaciales sobre membranas para techo reflectantes puede incrementar la eficiencia en un 20-35 %, al aprovechar la luz reflejada.

Los beneficios de especificar una membrana para techo que ofrece más protección contra los efectos de la radiación UV y de las altas temperaturas de servicio, y que puede mantener una alta reflectancia a lo largo de un período prolongado, cobran sentido al trabajar con techos solares. Por lo tanto, independientemente del tipo de instalación solar, la National Roofing Contractors Association (NRCA) recomienda el uso de una membrana para techo que brinda mayor protección contra los efectos de la radiación UV y de las altas temperaturas de servicio, como TPO EverGuard Extreme® de GAF, para ayudar a garantizar que la vida útil del techo coincida con la de los paneles solares.

Ejemplo de una membrana para techo de alta reflectancia (instalada sobre el techo más bajo) que mantiene su reflectancia con el paso del tiempo.


También podría interesarles a los diseñadores y propietarios considerar un espesor de membrana de techo mayor que coincida con la vida útil de servicio de los paneles solares. El uso de rollos más anchos minimiza la cantidad de uniones y reduce la probabilidad de que las uniones queden ocultas debajo de paneles solares.

Acoplamiento de la membrana

El método de acoplamiento de la membrana debe considerarse con detenimiento. Al adherir la membrana, se evitará el movimiento ondulante normal de las membranas de una sola capa sujetadas mecánicamente, lo que podría causar el movimiento de los sistemas con lastre y generar la abrasión localizada de la membrana. El uso de una capa de protección o separación entre los soportes con lastre y la membrana, que se extienda más allá del área de la superficie de contacto en todos los lados, puede proteger la membrana de la abrasión, y es posible que se requiera para la cobertura de la garantía. La capa de protección debe estar asegurada a la membrana para techo y no a la parte inferior del sistema de soporte.

Los sistemas con lastre involuntariamente colocados directamente sobre sujetadores pueden cortar o perforar la membrana, ya que los paneles solares se desplazan durante eventos de vientos fuertes. Al ocultar los sujetadores en el sistema de techo, se minimiza el potencial de daños (foto) a la membrana para techo, y se mejora el rendimiento térmico del sistema de techo. Esto refuerza el uso de membranas adheridas, así como de una capa superior adherida de aislante y tablero para cubierta.

Los paneles adheridos acoplados a un sistema de techo de acoplamiento mecánico o soldado por inducción harán un movimiento ondulante y un aleteo con la membrana para techo. Con el tiempo, esto podría generar mayor tensión en los paneles solares y sus conexiones, y podría comprometer el rendimiento del sistema solar y del techo. Por lo tanto, una membrana para techo adherida contribuirá a una vida útil del sistema de techo que coincidirá mejor con la de los paneles solares y ayudará a mejorar el rendimiento de ambos. Por supuesto, es necesario verificar la compatibilidad de los materiales, la durabilidad a largo plazo y las capacidades de resistencia al calor del adhesivo para la membrana para techo y los paneles solares, así como el cumplimiento de los requisitos de códigos locales y resistencia a vientos fuertes.

Para los sistemas acoplados o de penetración (es decir, sin lastre), las membranas acopladas mecánicamente podrían ser más aceptables que con los sistemas con lastre. Los paneles acoplados no se mueven, y los puntos de acoplamiento de los paneles podrían actuar como anclajes adicionales para la membrana.

Tableros para cubierta y aislante

La durabilidad del techo depende del sistema, por lo que debemos considerar no solo la membrana, sino todo el sistema de techo. Los techos con paneles solares requieren más profesionales y, por lo tanto, experimentan el tránsito de más personas; por eso, son más susceptibles a la degradación y a posibles fuentes de fugas. Un punto inicial sencillo comprende proteger las áreas de alto tránsito con planchuelas para caminar. La incorporación de un tablero para cubierta duro, como tablero de poliisocianurato HD, también mejorará la protección del sistema y extenderá la vida útil prevista del techo.

Además de un mayor tránsito de personas, las cargas concentradas de sistemas con lastre pueden superar la resistencia a la compresión de la membrana y del aislante del sistema del techo. Al especificar un tablero de aislante rígido con alta resistencia a la compresión, como un poliisocianurato de grado 3, se distribuirán las cargas y se ayudará a evitar el aplastamiento que podría producirse con materiales con menor resistencia a la compresión.

Instalación

Debido a que el costo de instalación de paneles solares es significativo, realizar una prueba de integridad de la membrana para techo antes de instalar el sistema solar es una inversión en tiempo y recursos que vale la pena. Los diseñadores deben comprender que, con la instalación del sistema solar para techos, el sistema de techo se convierte en una plataforma permanente para la operación, el servicio y el mantenimiento continuo de los paneles. Puesto que muchos diseñadores de techos solares no están muy familiarizados con las mejores prácticas de techos, es útil especificar requisitos de diseño de techos solares para el acceso que estén alineados no solo con los requisitos de códigos (p. ej., Código Internacional de Incendios [IFC] y Código Nacional Eléctrico [NFPA 70]), sino también con las mejores prácticas de mantenimiento de techos y seguridad de los trabajadores en el techo. Esto puede incluir distintos requisitos, como prohibir que los paneles solares crucen juntas de expansión, o disponer los paneles solares y las alturas de los soportes de modo que el personal de emergencias y los trabajadores de mantenimiento puedan acceder a las uniones, los desagües y las penetraciones en el campo.

Los diseñadores y propietarios también tienen la oportunidad de especificar el tipo de instalación solar, que incluye con acoplamiento, con lastre o adherida. Cada opción tendrá un impacto en las decisiones del diseño del sistema de techo, por lo que los equipos de los proyectos deben adoptar un enfoque holístico en cualquier debate sobre ingeniería económica en lo que respecta al techo y a los paneles solares.

No puede exagerarse la importancia de la colaboración de los contratistas eléctricos y solares con los contratistas de techado y profesionales de diseño. En todo el proceso de diseño e inspección (y reparación, según sea necesario) del techo después de la instalación del sistema solar, debe haber profesionales de techos calificados que participen de forma integral. Al especificar lo antedicho como requisito, se garantiza la participación del contratista de techo durante todo el proceso, para que tu techo esté en las condiciones adecuadas para proteger lo más importante.

Acoplamiento de paneles solares

Los diseñadores tienen muchas opciones en lo que respecta al acoplamiento de paneles solares, y no todos los sistemas son iguales. La NRCA recomienda usar sistemas de acoplamiento o penetración, es decir, sistemas de montaje que se acoplan atravesando el techo a la estructura. Las penetraciones y los tapajuntas deben estar bien detallados y coordinados con el contratista de techado, el contratista solar y el electricista. Estos detalles son fundamentales para el éxito de la instalación y deben diseñarse de modo que coincidan con la vida útil esperada del sistema solar y del sistema del techo.

Sistema solar acoplado


Sistema solar con lastre


Sistema solar adherido


Si bien los sistemas con lastre son rentables y fáciles de instalar, pueden añadir hasta 5 libras por pie cuadrado al techo. Si bien esta carga puede incorporarse al diseño estructural para una nueva construcción, podría exceder la capacidad de un edificio existente. Asimismo, la carga concentrada de los sistemas con lastre puede superar la resistencia a la compresión del aislante para techo. Por lo tanto, debe considerarse detenidamente el uso de un aislante con mayor resistencia a la compresión, como poliisocianurato de grado 3. Mejor aún, debe especificarse un tablero para cubierta como poliisocianurato HD para incrementar la protección.

Los sistemas con lastre pueden desplazarse y aletear durante eventos de vientos fuertes y actividad sísmica. Esto puede generar la abrasión de la superficie de la membrana para techo, que puede ser "perjudicial para el rendimiento del sistema de techo a largo plazo", de acuerdo con la NRCA. Si el equipo del proyecto acepta los riesgos asociados con los sistemas con lastre, debe instalarse una capa de protección o separación entre los soportes con lastre y la membrana, y esta debe asegurarse a la membrana para techo y no a los soportes con lastre.

Las bandejas con lastre pueden bloquear o inhibir el drenaje, lo que puede ocasionar la formación de charcos de agua en la membrana para techo. Esto puede socavar el rendimiento y la vida útil del sistema de techo. Debido a todos los desafíos de rendimiento inherentes a los sistemas con lastre, "la NRCA considera que los sistemas con lastre no satisfacen los criterios de vida útil equivalente necesarios para obtener un rendimiento exitoso del sistema de techo durante toda la vida útil de los sistemas fotovoltaicos montados en el techo". Sin embargo, como los sistemas con lastre se utilizan con frecuencia, es importante comprender los posibles problemas y adoptar un enfoque de diseño adecuado para el sistema de techo, de modo que la vida útil del techo pueda superar la de los paneles solares.

Otra opción de acoplamiento de paneles solares incluye paneles de película delgada adheridos que se adhieren directamente a la membrana para techo. Debido a su aplicación de bajo perfil, este sistema es atractivo para muchos diseñadores. La compatibilidad documentada entre la membrana para techo y el adhesivo es crítica. También es fundamental considerar el potencial de desacoplamiento de los paneles solares adheridos, a causa del desgaste del adhesivo por el paso del tiempo, o por temperaturas elevadas y numerosos eventos de vientos fuertes.

Como se ha analizado previamente, los paneles solares adheridos requieren una membrana para techo adherida. Y, debido a la mayor carga de calor en el sistema de techo con los paneles adheridos, una membrana para techo con mayor resistencia al desgaste por calor es aún más crucial.

Disposición de los paneles solares

La lógica detrás de la disposición de los paneles solares se aplica a todas las opciones de acoplamiento. Por lo general, los paneles solares se orientan y disponen de modo que capten la mayor cantidad de energía solar. Esto incluye alejar los paneles de paredes o equipos que dan sombra, o de escapes de aire caliente que tienen un impacto en la eficiencia. Los diseñadores también deben considerar la idoneidad de instalar paneles solares en zonas con vientos de alta intensidad, como esquinas y perímetros, con el fin de evitar posibles fallas de los paneles solares o del sistema del techo a causa de vientos fuertes. Los paneles también deben disponerse de modo que se evite una mayor acumulación de nieve.

La disposición de los paneles solares también debe abordar el acceso a la instalación solar, el mantenimiento de los paneles solares y del techo, y la seguridad contra incendios. En el diseño, debe tenerse en cuenta el acceso seguro de los contratistas solares y electricistas durante la instalación, así como durante el servicio y mantenimiento a lo largo de la vida útil de los paneles solares. Esto puede incluir pescantes u otros puntos de amarre, y acceso perimetral, además de considerar la proximidad con el tendido eléctrico. Las pautas de la NRCA resumen de manera práctica los requisitos del Código Internacional de Incendios (IFC) y del Código Nacional Eléctrico (NFPA 70). Por lo general, requieren un perímetro de 4 pies alrededor de los bordes del techo, trampillas y una vía entre los dos, así como una vía entre ambos ejes centrales. También recomiendan una vía de 4 pies de ancho hacia tragaluces, trampillas de ventilación y chimeneas, para servicio en el futuro. Las mejores prácticas de seguridad contra incendios incluyen vías de 8 pies de ancho para ventilación del humo entre paneles solares, además de aprobación del jefe de bomberos local.

Pautas de disposición de sistemas solares en techos publicadas en las pautas de la NRCA.


En la disposición de paneles solares, también es importante considerar el mantenimiento del sistema de techo. Es primordial alinear los paneles solares y establecer alturas de soportes de modo de dejar el suficiente espacio libre para el servicio de la membrana para techo, especialmente en desagües y penetraciones. Al dejar más espacio entre los paneles y la membrana para techo, también se incrementa la ventilación y se reduce la acumulación de calor, lo que aumenta la eficiencia de los paneles. Por lo general, los paneles solares más eficientes se instalan junto con techos vegetales, puesto que brindan un mejor clima y una mejor temperatura para el funcionamiento de los paneles, lo que mejora la producción de electricidad. El período de amortización relativamente breve y los beneficios ambientales de combinar estos dos enfoques sostenibles pueden compensar la inversión inicial.

Resumen de diseño de sistemas de techos solares

Claramente, deben considerarse muchos factores al añadir paneles solares al techo. La buena noticia es que, con la creciente popularidad de los techos solares, hay más recursos disponibles para los diseñadores, propietarios y contratistas, para diseñar, instalar y mantener un sistema de techo duradero con una vida útil igual o superior a la de los paneles solares. En resumen, las mejores prácticas para el diseño de sistemas de techos al considerar instalaciones solares incluyen:

  • Garantía del sistema de techo igual o superior a la vida útil prevista de los paneles solares
  • Membranas para techo reflectantes adheridas con mayor espesor en milésimas de pulgada, lo que incrementa la protección contra los efectos de la radiación UV y las altas temperaturas de servicio, como TPO EverGuard Extreme® de GAF
  • Tablero para cubierta de alta resistencia a la compresión adherido directamente debajo de la membrana para techo
  • Aislante de alta resistencia a la compresión para sistemas con lastre (mínimo de 2 capas escalonadas y desplazadas)
  • Planchuelas para caminar en áreas de alto tránsito
  • Capa de protección o separación adherida a la membrana para sistemas con lastre
  • Prueba de integridad de la membrana para techo antes de instalar la carga del sistema solar
  • Requisitos de disposición de sistemas solares alineados con las mejores prácticas de mantenimiento de techos

    • Disponer los paneles solares de modo que se maximice la recolección de energía solar y, a la vez, se eviten las áreas más susceptibles a vientos fuertes y la acumulación de nieve adicional

    • Proporcionar acceso perimetral y para mantenimiento de techos y paneles solares, así como seguridad contra incendios y ventilación de humo

    • Instalar los sistemas de soporte de modo que no crucen juntas de expansión del techo ni bloqueen el drenaje

    • Disponer paneles solares y alturas de soportes de modo que se pueda acceder a los desagües y las penetraciones para su mantenimiento

    • Contactar a un contratista de techado para inspeccionar (y reparar, según sea necesario) la membrana para techo después de la instalación de paneles solares

Entre los recursos adicionales disponibles para diseñadores, propietarios y contratistas por igual se incluyen las pautas para la instalación de sistemas fotovoltaicos en el techo de la NRCA, el boletín informativo del Single Ply Roofing Institute (SPRI) sobre sistemas preparados para sistemas fotovoltaicos y los manuales de sistemas fotovoltaicos de la Structural Engineering Association (SEAOC) para conocer sobre requisitos sísmicos estructurales y diseño contra vientos.


Para obtener más información sobre consideraciones de diseño de techos al incorporar sistemas solares, regístrate en el seminario web del Centro de educación continua, Techos solares comerciales: cómo maximizar una oportunidad de oro, patrocinado por GAF y presentado por Jennifer Keegan y Thomas J. Taylor.

Acerca del autor

Como veterana de más de 25 años de la industria de cerramientos de edificios, Jennifer Keegan presta servicio como directora sénior de Ciencias de la Construcción y Techado para GAF. Su carrera en análisis forense, evaluación, diseño y recuperación de edificios proporcionó una base técnica sólida para colaboración y liderazgo en la industria. Jennifer ofrece liderazgo técnico dentro de la industria a través de su participación en AIA, CSI e IIBEC; y como defensora de las mujeres dentro de la industria como exdirectora de National Women in Roofing.

Este blog contiene información creada por una variedad de fuentes, incluidos escritores internos y externos. Las opiniones y puntos de vista expresados ​​no representan necesariamente los de GAF. El contenido se brinda solo para fines informativos. No pretende constituir asesoramiento financiero, contable, fiscal o legal, ni orientación en diseño profesional sobre cualquier proyecto en particular. GAF no garantiza la precisión, la confiabilidad ni la integridad de la información. En ningún caso GAF será responsable por errores u omisiones en el contenido o por los resultados, daños o pérdidas provocados ​​por o en conexión con el uso o la confianza en el contenido. Consulta a un diseñador profesional para garantizar la idoneidad o el cumplimiento del código de un sistema de techo específico para una estructura determinada.