SITUACIÓN ACTUAL DE LOS MATERIALES CON CAMBIO DE FASE Y SU

POTENCIAL APLICACIÓN EN EL PROYECTO

DECATHLON SOLAR

ENERGÍA SOLAR TÉRMICA

Master EERR y Eficiencia Energética

Universidad de Zaragoza

Laura Ferrer Montañés 1

“Phase change material”

PCM

Alto calor latente de fusión.

Almacenamiento y liberación de energía térmica al cambiar de estado, a temperatura

constante.

Los materiales con cambio de fase

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La temperatura de fusión, depende del tipo de PCM: Orgánico.

Inorgánico.

Eutéctico.

Tipos de PCMs

¿ELECCIÓN?

Temperatura de fusión entre

20 y 28 º C

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Altas densidades de almacenamiento de energía térmica

Absorción – liberación de energía a T constante, en ocasiones nos interesan rangos de temperatura.

Integración de los PCMs en

elementos constructivosGRANDES VENTAJAS

Micro o macroencapsulados

• Integración• Elementos pasivos de calefacción - refrigeración

COMERCIALIZACIÓN

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Creciente demanda energética en los edificios de todo elmundo.

Necesidad de calefacción o refrigeración sin comprometer laeficiencia energética.

Aprovechamiento de los PCMs en

la climatización

¿POR QUÉ?

Refrigeración: Temperaturasde confort 21 a 27º C.

Eficiencia energética.

Menor coste trabajo enhoras de baja demandaeléctrica.

SOLAR DECATHLON

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Se almacena el frío del exterior del edificio durante lanoche y se libera en el interior de éste durante el día.

Concepto “free – cooling” o

refrigeración gratuita

¿QUÉ ES?

Disminución de emisiones de gases efecto invernadero

Conservación de la temperatura interior de los edificiosdentro de los rangos de confort.

VENTAJAS

CONDICIONES ÓPTIMAS

Diferencia temperatura diurna y nocturna de 15º C. 6

Tipo de acumulación o almacenamiento (total o parcial).

Características de transferencia de calor: condiciones climáticas

El trabajo cíclico: procesos de carga y descarga.

Demanda…

Selección de los PCMs para “free – cooling”

DE QUÉ DEPENDE

Temperatura de fusión entre 19 y 24º CCONDICIÓN

PCM óptimo

Alto calor latente.

Alta conductividadtérmica

Propiedades físicasy químicas… 7

Estudios recientes realizados sobre

la integración de PCMs en

elementos constructivos

1. Construcción de un techo con agujeros cónicos quecontienen materiales con cambio de fase para reducir lacarga de refrigeración.

2. Aplicación de placas de yeso con materiales con cambio defase incorporados en los techos de edificios: investigaciónnumérica de la temperatura del aire en interiores.

3. El rendimiento del almacenamiento de calor latente para larefrigeración de edificios en climas secos y cálidos: unestudio experimental.

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Estudio de la efectividad del sistema PCM – techo comparando el flujo de calor con y sin PCMs.

1. Construcción de un techo con agujeros cónicos

que contienen materiales con cambio de fase

para reducir la carga de refrigeración.

OBJETIVO

1.1. Efecto del tipo de PCM

1.2. Efecto de la geometría cónica del tronco

ESTUDIO

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(Todos los agujeros son iguales, diámetro 10 cm)

n – Eicosano, T fus: 37º C

• De 10 AM a 5 PM: Reducciónen un 15,78% el flujo decalor.

• De 0 AM a 10 AM: Aumentodel flujo de calor.

1.1. Efecto del tipo de PCM

PCM ESTUDIADOS

RESULTADOS

La T del techo sin integrar PCMs oscila entre los 25,69 y 54,98º C

10

D = diámetro mayor del cono

d = diámetro menor del cono

1.2. Efecto de la geometría cónica del tronco

GEOMETRÍAS ESTUDIADAS

El rendimiento térmicodel sistema mejoracuando la geometría es

CÓNICA (d=0)

El flujo de calor total hacia el interior

puede ser reducido un 39%

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Efectividad de la integración de PCMs en placas de yeso en el techo, en relación con el ahorro energético del edificio.

2. Aplicación de placas de yeso con materiales con

cambio de fase incorporados en los techos de

edificios: investigación numérica de la

temperatura del aire en interiores.

OBJETIVO

Cantidad de radiación solar incidente.

Temperatura ambiente y temperatura interna.

Temperatura en el espacio del ático.

Energía requerida para mantener a 25º C la temperatura interna.

ESTUDIO

PCM: mezcla eutéctica de ácido láurico y esteárico.

No es corrosiva ni inflamable, integración sin efectos secundarios.

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Cantidad de radiación solar incidente

La cantidad de energía que recibe el tejado este y oeste

son las mayores.13

Temperatura ambiente y temperatura interna.

Máximo de temperatura:

Sin PCM: 32,52º C.

Con PCM: 30,97º C.

Reducción de 1,55º C

Reducción temperatura: de 7:30 AM a 10 PM.

Solidificación del PCM: liberación de energía.

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Temperatura en el espacio del ático.

Absorción de calor notable reducción

significativa de la temperatura.

Energía requerida para

mantener a 25º C la

temperatura interna.

En el intervalo de 7:00 AM a 6:00 PM: ahorros energéticos

de 4,26 kWh.

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Visión acerca del comportamiento de los PCM integrados en edificios expuestos a un clima seco y cálido

3. El rendimiento del almacenamiento de calor

latente para la refrigeración de edificios en climas

secos y cálidos: un estudio experimental.

OBJETIVO

PCM con temperatura de fusión de 28 – 29ºC.

Influencia: velocidad del flujo de aire y la temperatura.

ESTUDIO

RESULTADOS

Carga: disminución de la T en 2º C33% menos de tiempo. Carga: aumento de la T en 2º C 52% más de tiempo. Carga: aumento velocidad de aire un 25%16% menos de tiempo

Más sensible al cambio de temperatura que velocidad de aire.

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OBJETIVO

Revisión bibliográfica (2010) acerca de la refrigeración gratuita o “free – cooling” en edificios mediante la

integración de materiales con cambio de fase.

1. Selección de los materiales con cambio de fase (PCM)para la refrigeración gratuita o “free – cooling” enedificios.

2. Problemas asociados a la transferencia de calor yconsideraciones a tener en cuenta en el diseño.

Conclusiones

ESTUDIO

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Alta conductividad térmica y energía de almacenamiento. No inflamables y baratos. Corrosivos, sufren superenfriamiento y segregación de fases durante el

cambio de fase

1. Selección de los materiales con cambio de fase

(PCM) para la refrigeración gratuita o “free –

cooling” en edificios.

1.1. PCMs INORGÁNICOS

Soluciones: adición agentes nucleantes y espesantes.

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Inflamables

Cambio de volumen al cambiar de fase

Menores conductividades térmicas

1.2. PCMs ORGÁNICOS

No tienen los problemas de los PCMs inorgánicos.Se clasifican en parafínicos y no parafínicos.

19

1.3. MEZCLAS EUTÉCTICAS / NO EUTÉCTICAS DE PCMs ORGÁNICOS E INORGÁNICOS

Comercializados:

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2. Problemas asociados a la transferencia de calor y

consideraciones a tener en cuenta en el diseño.

2.1. Resistencia térmica del aire y del PCM: Parafinas con conductividad térmica menor

Introducción de aletas, matrices de metal, grafito en forma de fibras…

2.2. Efecto de la geometría del encapsulador del material con cambio de fase:

Tubos cilíndricos

Placas planas

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2.3. Eficiencia energética de carga y descarga:A veces es necesario acelerar el proceso de carga -descarga: utilización de ventiladores.

2.4. Efecto de la temperatura de cambio de fase del PCM:Oscilaciones de la temperatura ambiente:Estructuras con diferentes capas de PCMs

Encapsulados en bolitas

Paneles Bolsas

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2.5. Efecto del aislamiento:Papel importante especialmente cuando existe una pequeña diferencia de temperatura entre noche y día.

2.6. Efecto de la localización geográfica y las estaciones en la refrigeración gratuita o “free – cooling”:

La efectividad no está ligada con la temperatura media del emplazamiento, si no con las oscilaciones de temperatura entre noche y día.

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Bibliografía

• [1] Esam M. Alawadhi, Hashem J. Alqallaf. Building roof with conical holes containingPCM to reduce the cooling load: Numerical study.

• [2] N. A. Yahaya, H. Ahmad. Numerical Investigation of Indoor Air Temperature with theApplication of PCM Gypsum Board as Ceiling Panels in Buildings.

• [3] Adeel Waqas, S. Kumar. Thermal performance of latent heat storage for free cooling ofbuildings in a dry and hot climate: an experimental study

• [4] S. Kalaiselvam, R. Parameshwaran, S. Harikrishnan. Analytical and experimentalinvestigations of nanoparticles embedded phase change materials for cooling applicationin modern buildings.

• [5] Viktoria Martin, Bo He, Fredrik Stterwall. Direct contact PCM – water cold storage.• [6] www.pcmproducts.net• [7] BASF. www.micronal.de• [8] Alonso Hernández & Asociados Arquitectos S.L. Decuvein – Ah – Navarra.• [9] A. Pasupathy, R. Velraj, R.V. Seeniraj. Phace change material – based building

architecture for termal management in residential and comercial establishmetns.• [10] Manuel Dominguez, Carmen García. Aprovechamiento de los Materiales de Cambio

de Fase (PCM) en la Climatización.• [11] Manuel Dominguez, Carmen García. El enfriamiento gratuito con los acumuladores

con cambio de fase (PCM).• [12] V. Antony Aroul Raj, R. Velraj. Review on free cooling of buildings using phase

change materials.• [13] Chao Chen, Haifeng Guo *, Yuning Liu, Hailin Yue, Chendong Wang. A new kind of

phase change material (PCM) for energy-storing wallboard.24

GRACIAS POR SU

ATENCIÓN

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