Aislantes para la construcción con inclusión de materiales de cambio de fase

Abstract

Actualmente las autoridades de la mayoría de los países están desarrollando normativas y leyes destinadas a conseguir mayor sostenibilidad medioambiental. En el caso de la Arquitectura existe el reto de conseguir edificios con emisiones de CO2 y consumo energético cero o casi cero. El objetivo de este trabajo consiste precisamente en hacer un avance en dicho reto, consiguiendo reducir la transmisión de calor a través de los cerramientos de las edificaciones. Para ello se han estudiado varios materiales aislantes convencionales, a los que se les ha añadido como carga, Materiales de Cambio de Fase micro-encapsulados.

Se plantean paneles sándwich, en los que los materiales “enriquecidos” con PCMs se protegen con capas exteriores de materiales aislantes convencionales. El funcionamiento de este sistema se basa en los ciclos noche-día (enfriamiento-calentamiento) y en la transmisión de calor a través de los cerramientos. Según el gradiente de temperaturas entre el interior y el exterior, se producirá un flujo de calor entrante o saliente dependiendo del caso, que al llegar a la capa tratada con PCMs, éstos solidificarán o fundirán manteniendo la temperatura durante el cambio de fase. En condiciones ideales, consigue cerramientos con conductividad térmica cero, es decir totalmente aislantes al paso del calor. La realidad es que los ciclos día-noche no son simétricos respecto a la temperatura de consigna que se pretende mantener en el interior, por lo que no se llegará a un funcionamiento ideal del sistema durante todos los días.

Para conseguir demostrar los objetivos de este trabajo, ha sido necesario desarrollar métodos de medida de transmisión de calor y modelos teóricos. Además, se ha determinado la simetría en el proceso de fusión-solidificación de los PCMs estudiados. Para considerar un caso real que ponga al límite el sistema se ha realizado el estudio del ahorro energético conseguido durante 1 año en Murcia comparando un aislamiento tradicional con el panel sándwich diseñado. En Murcia, las condiciones climatológicas cuentan con veranos muy cálidos, en los que las temperaturas de consigna interior son inferiores en todo momento a las temperaturas tanto diurnas como nocturnas, esto hace que la eficacia del sistema propuesto se vea ampliamente reducida. Aun así, el resultado conseguido es un ahorro energético de más del 40% respecto del tradicional. Siendo cercano a un ahorro total en los meses más favorables.

Se concluye que la nueva tecnología desarrollada demuestra que los PCMs pueden utilizarse, no como sistema de almacenamiento de calor, sino como barrera térmica dinámica con ciclos sucesivos de acumulación y cesión de calor. Además, el sistema desarrollado para otras aplicaciones, en las que los ciclos de frio-calor sean exactos e ideales, es superior a los super-aislantes pues conduce a una transmisión de calor igual a cero.

The authorities of most of the countries are currently developing regulations and laws aimed at achieving greater environmental sustainability. In the case of Architecture there is the challenge of achieving buildings with CO2 emissions and energy consumption zero or nearly zero. The objective of this work is to make an advance in this challenge, managing to reduce the transmission of heat through the walls of the buildings. Several conventional insulation materials have been studied, to which micro-encapsulated Phase Change Materials have been added as a filler.

Sandwich panels are proposed, in which materials "enriched" with PCMs are protected with outer layers of conventional insulation materials. This system is based on night-day cycles (cooling-heating) and heat transfer through the walls. According to the temperature gradient between the interior and the exterior, there will be an incoming or outgoing heat flux depending on the case, when these heat flux touch the layer treated with PCMs, they will solidify or melt maintaining the temperature during the phase change. In ideal conditions, it achieves enclosures with zero thermal conductivity, that is, totally insulating to the passage of the heat. The reality is that the day-night cycles are not symmetrical with respect to the setpoint temperature in the interior, so the ideal answer of the system will not be achieved every day.

In order to demonstrate the objectives of this work, it has been necessary to develop methods of measurement of heat transfer and theoretical models. Also, the symmetry has been determined in the fusion-solidification process of the PCMs studied. In order to consider a real case that limits the system, the energy saving achieved during 1 year in Murcia was compared betwen a traditional insulation and the designed sandwich panel. In Murcia, climatological conditions have very hot summers, where the interior setpoint temperatures are lower at all times at both day and night temperatures, which means that the efficiency of the proposed system is greatly reduced. Even so, the result achieved is an energy saving of more than 40% compared to the traditional one. Being close to a total saving in the most favorable months.

It is concluded that the new technology developed demonstrates that PCMs can be used, not as a heat storage system, but also a dynamic thermal barrier with successive cycles of accumulation and heat transfer. The system developed can be used for other applications, in which the cold-heat cycles are accurate and ideal, in this case the new technology is superior to the super-insulators because it leads to a heat transfer equal to zero.