Este documento resume tres estudios recientes sobre la integración de materiales con cambio de fase (PCM) en elementos constructivos para mejorar la eficiencia energética en edificios. El primer estudio analiza el efecto de diferentes PCMs y geometrías en un techo para reducir la carga de refrigeración. El segundo estudia el efecto de placas de yeso con PCM en el techo para ahorrar energía. El tercer estudio examina el rendimiento de PCMs para la refrigeración gratuita en climas cálidos.

1. ENERGÍA SOLAR TÉRMICA
Master EERR y Eficiencia Energética
Universidad de Zaragoza
SITUACIÓN ACTUAL DE
LOS MATERIALES CON
CAMBIO DE FASE Y SU
POTENCIAL APLICACIÓN
EN EL PROYECTO
DECATHLON SOLAR
Laura Ferrer Montañés 1

2. Los materiales con cambio de fase
“Phase change material”
PCM
 Alto calor latente de
fusión.
 Almacenamiento y
liberación de energía
térmica al cambiar de
estado, a temperatura
constante.
2

3. Tipos de PCMs
 La temperatura de fusión, depende del tipo de PCM:
 Orgánico.
 Inorgánico.
 Eutéctico.
¿ELECCIÓN?
Temperatura de
fusión entre
20 y 28 º C
3

4. Integración de los PCMs en
elementos constructivos
GRANDES VENTAJAS
 Altas densidades de almacenamiento de energía
térmica
 Absorción – liberación de energía a T constante, en
ocasiones nos interesan rangos de temperatura.
COMERCIALIZACIÓN
Micro o
macroencapsulados
• Integración
• Elementos pasivos de
calefacción - refrigeración 4

5. Aprovechamiento de los PCMs en
la climatización
¿POR QUÉ?
 Creciente demanda energética en los edificios de todo el
mundo.
 Necesidad de calefacción o refrigeración sin comprometer la
eficiencia energética.
SOLAR DECATHLON
 Refrigeración: Temperaturas
de confort 21 a 27º C.
 Eficiencia energética.
 Menor coste  trabajo en
horas de baja demanda
eléctrica. 5

6. Concepto “free – cooling” o
refrigeración gratuita
¿QUÉ ES?
Se almacena el frío del exterior del edificio durante la
noche y se libera en el interior de éste durante el día.
VENTAJAS
 Disminución de emisiones de gases efecto invernadero
 Conservación de la temperatura interior de los edificios
dentro de los rangos de confort.
CONDICIONES ÓPTIMAS
 Diferencia temperatura diurna y nocturna de 15º C. 6

7. Selección de los PCMs para “free – cooling”
DE QUÉ DEPENDE
 Tipo de acumulación o almacenamiento (total o parcial).
 Características de transferencia de calor: condiciones climáticas
 El trabajo cíclico: procesos de carga y descarga.
 Demanda…
CONDICIÓN Temperatura de fusión entre 19 y 24º C
PCM óptimo
 Alto calor latente.
 Alta conductividad
térmica
 Propiedades físicas
y químicas… 7

8. Estudios recientes realizados sobre
la integración de PCMs en
elementos constructivos
1. Construcción de un techo con agujeros cónicos que
contienen materiales con cambio de fase para reducir la
carga de refrigeración.
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.
3. El rendimiento del almacenamiento de calor latente para la
refrigeración de edificios en climas secos y cálidos: un
estudio experimental.
8

9. 1. Construcción de un techo con agujeros cónicos
que contienen materiales con cambio de fase
para reducir la carga de refrigeración.
OBJETIVO
Estudio de la efectividad del sistema PCM – techo
comparando el flujo de calor con y sin PCMs.
ESTUDIO
1.1. Efecto del tipo de PCM
1.2. Efecto de la geometría cónica del tronco
9

10. 1.1. Efecto del tipo de PCM
PCM ESTUDIADOS
La T del techo sin
integrar PCMs oscila
entre los 25,69 y
54,98º C
RESULTADOS
(Todos los agujeros son iguales,
diámetro 10 cm)
n – Eicosano, T fus: 37º C
• De 10 AM a 5 PM: Reducción
en un 15,78% el flujo de
calor.
10
• De 0 AM a 10 AM: Aumento
del flujo de calor.

11. 1.2. Efecto de la geometría cónica del tronco
GEOMETRÍAS ESTUDIADAS D = diámetro mayor del cono
d = diámetro menor del cono
El rendimiento térmico
del sistema mejora
cuando la geometría es
CÓNICA (d=0)
11
El flujo de calor total hacia el interior
puede ser reducido un 39%

12. 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
Efectividad de la integración de PCMs en placas de yeso en el
techo, en relación con el ahorro energético del edificio.
ESTUDIO
PCM: mezcla eutéctica de ácido láurico y esteárico.
No es corrosiva ni inflamable, integración sin efectos secundarios.
 Cantidad de radiación solar incidente.
 Temperatura ambiente y temperatura interna.
 Temperatura en el espacio del ático. 12
 Energía requerida para mantener a 25º C la temperatura interna.

13.  Cantidad de radiación solar incidente
La cantidad de energía que
recibe el tejado este y oeste
son las mayores.
13

14.  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:
14
liberación de energía.

15.  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

16. 3. El rendimiento del almacenamiento de calor
latente para la refrigeración de edificios en climas
secos y cálidos: un estudio experimental.
OBJETIVO
Visión acerca del comportamiento de los PCM integrados en
edificios expuestos a un clima seco y cálido
ESTUDIO
 PCM con temperatura de fusión de 28 – 29ºC.
 Influencia: velocidad del flujo de aire y la temperatura.
RESULTADOS
 Carga: disminución de la T en 2º C 33% 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 16
Más sensible al cambio de temperatura que velocidad de aire.

17. Conclusiones
OBJETIVO
Revisión bibliográfica (2010) acerca de la refrigeración
gratuita o “free – cooling” en edificios mediante la
integración de materiales con cambio de fase.
ESTUDIO
1. Selección de los materiales con cambio de fase (PCM)
para la refrigeración gratuita o “free – cooling” en
edificios.
2. Problemas asociados a la transferencia de calor y
consideraciones a tener en cuenta en el diseño. 17

18. 1. Selección de los materiales con cambio de fase
(PCM) para la refrigeración gratuita o “free –
cooling” en edificios.
1.1. PCMs INORGÁNICOS
 Alta conductividad térmica y energía de almacenamiento.
 No inflamables y baratos.
 Corrosivos, sufren superenfriamiento y segregación de fases durante el
cambio de fase
Soluciones: adición agentes nucleantes y espesantes.
18

19. 1.2. PCMs ORGÁNICOS
 Inflamables
 Cambio de volumen al cambiar de fase
 Menores conductividades térmicas
No tienen los problemas de los PCMs inorgánicos.
Se clasifican en parafínicos y no parafínicos.
19

20. 1.3. MEZCLAS EUTÉCTICAS / NO EUTÉCTICAS
DE PCMs ORGÁNICOS E INORGÁNICOS
Comercializados:
20

21. 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:
Placas
planas
Tubos
cilíndricos
21

22. Encapsulados
en bolitas
Paneles Bolsas
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 22

23. 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.
23

24. Bibliografía
• [1] Esam M. Alawadhi, Hashem J. Alqallaf. Building roof with conical holes containing
PCM to reduce the cooling load: Numerical study.
• [2] N. A. Yahaya, H. Ahmad. Numerical Investigation of Indoor Air Temperature with the
Application of PCM Gypsum Board as Ceiling Panels in Buildings.
• [3] Adeel Waqas, S. Kumar. Thermal performance of latent heat storage for free cooling of
buildings in a dry and hot climate: an experimental study
• [4] S. Kalaiselvam, R. Parameshwaran, S. Harikrishnan. Analytical and experimental
investigations of nanoparticles embedded phase change materials for cooling application
in 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 24
phase change material (PCM) for energy-storing wallboard.

25. GRACIAS POR SU
ATENCIÓN
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