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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
2
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
3
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
4
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
5
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.
8
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
9
(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%
11
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.
12
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.
14
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.
15
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.
16
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
17
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.
18
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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