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UNIVERSIDAD DE CONCEPCION
FACULTAD DE INGENIERIA DEPARTAMENTO DE INGENIERIacuteA MECAacuteNICA
PROYECTO PARA OPTAR AL GRADO DE MAGIacuteSTER EN CS DE LA ING CON
MENCIOacuteN EN ING MECAacuteNICA
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente teacutermica de
una viviendardquo
Diego Sarabia Meacutendez
Autor
Einara Blanco Machin
Profesor Guiacutea
Doctor en Ingenieriacutea Mecaacutenica
Adelqui Fissore Schiappacasse
Profesor Co-Guiacutea
Doctor en Ciencias Aplicadas
Concepcioacuten 24 de Agosto de 2020
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
AGRADECIMIENTOS
En primer lugar quisiera agradecer al Sr Adelqui Fissore Schiappacasse
y Sra Blanco Machin Einara la oportunidad que me han brindado para realizar
este proyecto y aprender de eacutel y al Director programa magister Sr Cristian Molina
Vicuntildea quien me dio la oportunidad de ingresar y apoyarme en el programa de
Magister del Departamento de Ingenieriacutea Mecaacutenica
A mis padres Sr Marcos Sarabia y Sra Olga Meacutendez por todo lo que me
han tenido que sostener durante estos antildeos de carrera porque han sabido
orientarme y sus consejos siempre me han ayudado los amo
Y a miacute polola Srta Estefaniacutea Cisternas por tu apoyo y tu paciencia han
sido muy importantes para miacute
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
RESUMEN
Los materiales de cambio de fase (PCM) juegan un papel importante en la
reduccioacuten del consumo energeacutetico en el sector de la construccioacuten Se consideran
prometedores para almacenar y descargar energiacutea teacutermica Usando el software
Energy Plus se evaluoacute el comportamiento teacutermico de dos sistemas de
climatizacioacuten en una vivienda de estudio aplicando materiales de cambio de fase
a las paredes exteriores
Se observoacute que la temperatura de fusioacuten de 22 degC cercana a la
temperatura de confort teacutermico es la maacutes oacuteptima esto ayudo a mejorar el
rendimiento del material PCM evitando la histeacuteresis o sub-enfriamiento
Ademaacutes se configuroacute el sistema constructivo del muro exterior con
respecto a la ubicacioacuten del PCM en la envolvente interior Tambieacuten el disentildeo de
la solucioacuten de construccioacuten con PCM estaacute optimizado en relacioacuten con los datos
de zonificacioacuten y soluciones constructivas del MINVU Para este estudio se
escogioacute el PCM 22HC ya que su comportamiento es ideal para la vivienda en
estudio arrojando un 319 (de 263 kW a un 179 kW) de reduccioacuten de
potencias maacuteximas de disentildeo en climatizacioacuten De acuerdo al PCM escogido se
analizoacute el comportamiento del consumo energeacutetico en dos sistemas de
climatizacioacuten Caso 1 Sistema calefaccioacuten a lentildea mostro una reduccioacuten del
consumo energeacutetico de 341 (de 3694 kWh a un 2434 kWh) Para el segundo
caso se evaluoacute un sistema de bomba de calor multisplit al igual que en el caso
anterior el material optimo corresponde al PCM 22HC se observa una
disminucioacuten de consumo energeacutetico de un 344 (de 688 kWh a un 451 kWh) en
comparacioacuten al caso base lo que implica una notable reduccioacuten de los consumos
energeacuteticos en la estacioacuten friacutea Ademaacutes junto con los valores de consumo
energeacutetico se evaluoacute los costos de operacioacuten anual arrojando una disminucioacuten
promedio de 34 debido al aporte de los PCM
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
Estos datos demostraron una reduccioacuten significativa en energiacutea y
contribuyen a la eficiencia energeacutetica Se puede inferir que los PCM aportan
significativamente al medio ambiente en liberar menos cantidad de material
particulado reducir el consumo de combustibles foacutesiles y disminuir el CO2
liberado a la atmosfera
Palabras clave Materiales de cambio de fase Sustentabilidad
Construccioacuten de simulacioacuten teacutermica Eficiencia energeacutetica Vivienda de alta
inercia teacutermica
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
ABSTRACT
Phase change materials (PCM) play an essential role in reducing energy
consumption in the construction sector They are considered promising for storing
and discharging thermal energy Using the Energy Plus software the thermal
behavior of two air conditioning systems in a study home was evaluated by
applying phase change materials to the exterior walls
It was observed that the melting temperature of 22 deg C close to the thermal
comfort temperature is the most optimal this helped to improve the performance
of the PCM material avoiding hysteresis or sub-cooling
Besides the construction system of the exterior wall was configured
concerning the location of the PCM in the interior envelope Also the design of
the construction solution with PCM is optimized in relation to the zoning data and
construction solutions of the MINVU For this study the PCM 22HC was chosen
as its behavior is ideal for the dwelling under study yielding a 319 (from 263
kW to 179 kW) reduction in maximum design powers in air conditioning
According to the chosen PCM the behavior of energy consumption in two air
conditioning systems was analyzed Case 1 Wood heating system showed a
reduction in energy consumption of 341 (from 3694 kWh to 2434 kWh) For the
second case a multisplit heat pump system was evaluated as in the previous
case the optimal material corresponds to the PCM 22HC a decrease in energy
consumption of 344 (from 688 kWh to 451 kWh kWh) compared to the base
case which implies a notable reduction in energy consumption in the cold season
Besides together with the energy consumption values the annual operating costs
were evaluated yielding an average decrease of 34 due to the contribution of
the PCM
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
These data demonstrated a significant reduction in energy and contribute
to energy efficiency It can be inferred that PCM contributes significantly to the
environment in releasing less particulate matter reducing the consumption of
fossil fuels and reducing the CO2 released into the atmosphere
Key words Phase change materials Sustainability Thermal simulation
construction Energy efficiency High thermal inertia housing
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
IacuteNDICE DE CONTENIDOS
AGRADECIMIENTOS 1
RESUMEN 2
ABSTRACT 4
IacuteNDICE DE CONTENIDOS 6
INDICE DE FIGURAS 9
INDICE DE TABLAS 11
INTRODUCCION 12
CAPITULO I ENUNCIADO DE LA INVESTIGACIOacuteN 15
11 Planteamiento del problema 16
12 Preguntas de investigacioacuten 19
13 Hipoacutetesis 19
14 Objetivos 20
142 Objetivos especiacuteficos 20
CAPITULO II MARCO TEOacuteRICO 21
21 Marco Teoacuterico 22
22 Materiales con cambio de fase (PCM) 22
221 Funcionamiento 23
222 Propiedades 24
223 Almacenamiento de energiacutea teacutermica 25
224 Clasificacioacuten 26
2241 PCM inorgaacutenicos sales hidratadas 27
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2242 PCM orgaacutenicos parafinas aacutecidos grasos y mezclas orgaacutenicas 29
22421 Parafinas 31
22422 Aacutecidos Grasos 31
22423 Mezclas euteacutecticas 32
23 Criterios de seleccioacuten de los Materiales con Cambio se Fase 33
24 Vida uacutetil del material cambio fase 34
25 Aplicacioacuten en la construccioacuten 35
26 Encapsulacioacuten 37
261 Microcaacutepsulas 38
262 Macrocaacutepsulas 39
CAPITULO III MEacuteTODOS Y METODOLOGIacuteA 40
31 Herramienta de simulacioacuten de energiacutea 41
32 Descripcioacuten Vivienda en estudio 43
321 Meacutetodo de zona en software EnergyPlus 46
33 Datos meteoroloacutegicos 47
34 Jornadas de ocupacioacuten 48
35 Configuracioacuten envolvente por elemento y sistemas de climatizacioacuten 49
36 Caracterizacioacuten PCM 51
361 Seleccioacuten de Materiales Cambio Fase 52
362 Configuracioacuten del PCM en EnergyPlus 54
363 Cotizacioacuten PCM RT21 55
37 Caracterizacioacuten Macro encapsulacioacuten 56
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371 Cotizacioacuten Macro encapsulacioacuten 56
38 Validacioacuten muro constructivo con PCM 57
381 Cumplimiento de la OGUC y Resistencia al fuego 58
CAPITULO IV RESULTADOS Y DISCUSIOacuteN 62
41 Comportamiento Energeacuteticos de los materiales cambio fase 63
411 Rendimiento energeacutetico de calefaccioacuten con y sin PCM 63
412 Inversioacuten inicial y costos operativos en sistemas de calefaccioacuten con y
sin PCM 67
42 Propuesta de aplicacioacuten PCM a caso base como sistema de
actualizacioacuten 68
CONCLUSIONES 70
REFERENCIAS 72
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INDICE DE FIGURAS
Figura 21 Diagrama de proceso de cambio de fase Hielo ndash Vapor 23
Figura 22 Clasificacioacuten de los Materiales Cambio Fase 26
Figura 23 Estabilizacioacuten de la temperatura interior de un edificio por el efecto
de la inercia teacutermica 36
Figura 24 Espesor requerido de distintos materiales Vs Energiacutea termina 36
Figura 25 Microcaacutepsulas 38
Figura 26 Caacutepsulas de macro PCM (Contenedor plano Esfera Placas de
barra doble) 40
Figura 31 Descripcioacuten Vivienda en estudio 44
Figura 32 Modelo de zona en casa de estudio 46
Figura 33 Zona y sub-superficie de vivienda en estudio 47
Figura 34 Configuracioacuten datos meteoroloacutegico 48
Figura 35 Planilla de uso horario de un recinto 49
Figura 36 Planilla configuracioacuten envolvente por elemento 50
Figura 37 Planilla configuracioacuten rango de temperatura confort teacutermico 51
Figura 38 Planilla configuracioacuten del tipo de sistema de climatizacioacuten 51
Figura 39 Configuracioacuten del PCM en el software 54
Figura 310 Cotizacioacuten del material RT21 55
Figura 311 Modulo Almacenamiento Macro encapsulacioacuten 56
Figura 312 Cotizacioacuten Macro encapsulacioacuten 57
Figura 313 Sistema Constructivo Muro exterior con PCM en vivienda estudio
61
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Figura 41 (a) Potencia maacutexima disentildeo con y sin PCM en vivienda estudio 64
Figura 41 (b) Caso 1 - Consumo energeacutetico en calefaccioacuten Lentildea con y sin
PCM en vivienda estudio 65
Figura 41 (c) Caso 2 - Consumo energeacutetico Bomba de calor con y sin PCM
en vivienda estudio 66
Figura 42 Inversioacuten inicial y costos operativos sistema climatizacioacuten con y sin
PCM en vivienda estudio 68
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INDICE DE TABLAS
Tabla 21 Ventajas e inconvenientes de los PCM inorgaacutenicos 28
Tabla 22 Temperatura de fusioacuten de algunas sales hidratadas 29
Tabla 23 Ventajas e inconvenientes de los PCM orgaacutenicos 30
Tabla 24 Temperatura de fusioacuten de algunas parafinas 31
Tabla 25 Temperatura de fusioacuten de algunos aacutecidos grasos 32
Tabla 26 Clasificacioacuten de los PCMs 32
Tabla 27 Ventajas e inconvenientes de las microcapsulas 38
Tabla 28 Ventajas e inconvenientes de las Macrocaacutepsulas 39
Tabla 31 Resumen superficies de los distintos espacios vivienda en estudio
44
Tabla 32 Cumplimiento de la envolvente elementos constructivos de la
vivienda en estudio 44
Tabla 33 Especificaciones teacutecnicas de PCM a utilizar 52
Tabla 34 Clasificacioacuten de los edificios seguacuten su destino superficie edificada y
nuacutemero de pisos 58
Tabla 35 Resistencia al fuego para diferentes elementos de construccioacuten 59
Tabla 36 Tabique perimetral estructura madera en vivienda en estudio 60
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INTRODUCCION
Debido al avance de la ciencia y la tecnologiacutea la calidad de vida y los
sistemas de produccioacuten en la industria han mejorado lo que ha aumentado el
consumo mundial de energiacutea en paiacuteses industrializados y las economiacuteas
emergentes Este aumento en el consumo de energiacutea tiene efectos nocivos sobre
el medio ambiente como el aumento de las emisiones de gases a la atmoacutesfera
entre otros Por lo tanto los paiacuteses estaacuten promoviendo cada vez maacutes nuevas
poliacuteticas energeacuteticas y promoviendo dos tipos de acciones para reducir las
emisiones entre otras aumentar la proporcioacuten de energiacutea renovable y promover
medidas de ahorro y eficiencia energeacutetica Debido a las crecientes
preocupaciones sobre el consumo de energiacutea se necesita urgentemente maacutes
investigacioacuten
Entre las medidas de eficiencia energeacutetica surge la necesidad de estudiar
el uso de energiacutea solar a traveacutes de la aplicacioacuten de materiales de cambio de fase
(PCM seguacuten sus siglas en ingleacutes Phase Change Materials) Estudios recientes
sobre materiales de cambio de fase han demostrado que hay varios aspectos
para mejorar en la aplicacioacuten y caracterizacioacuten de estos materiales (Anisur
2013)
Actualmente el sector de la construccioacuten contribuye considerablemente al
consumo total de energiacutea y las emisiones de gases de efecto invernadero a la
atmoacutesfera Los edificios consumen maacutes del 40 de la energiacutea primaria del
mundo que es responsable del 30 de las emisiones de gases de efecto
invernadero (Thorpe 2011)
A nivel local el sector residencial es responsable de las altas demandas
energeacuteticas equivalente a 23 del consumo energeacutetico nivel paiacutes Del parque
habitacional existente en Chile 75 fue construido sin consideraciones teacutermicas
y de eficiencia energeacutetica dicha situacioacuten provoca que el usuario asuma el costo
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
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del consumo energeacutetico en calefaccioacuten y refrigeracioacuten para mantener la vivienda
en zona confort (Wegertseder 2015)
Tradicionalmente el consumo de energiacutea se reduce mediante el uso de
aislamiento teacutermico de alta calidad en la envolvente de un edificio para reducir la
transferencia de calor entre el interior y exterior (Zhou D Tian Y Qu Y amp
Chen Y K 2016) Un aumento en la eficiencia de los sistemas de calefaccioacuten
ventilacioacuten y aire acondicionado (HVAC) tambieacuten ha sido responsable de una
reduccioacuten en el consumo de energiacutea sin embargo las mejoras en la eficiencia
energeacutetica no deben limitarse a estos enfoques
Un estudio de investigacioacuten describioacute que el aumento de la inercia teacutermica
del edificio reduce la cantidad de energiacutea utilizada para calefaccioacuten y refrigeracioacuten
(Ling H Chen C Qin H Wei S Lin J Li N) ya que reduce las
fluctuaciones en la temperatura interior ayudando a mantener el espacio interno
dentro del rango de confort teacutermico y reduciendo la necesidad de utilizar sistemas
de aire acondicionado
El almacenamiento de energiacutea se puede implementar mediante calor
sensible aumentando y disminuyendo la temperatura de los recubrimientos de
edificios o mediante calor latente Con la inclusioacuten de materiales de cambio de
fase conduce a una mayor densidad de energiacutea teacutermica Los materiales de
cambio de fase estaacuten asociados con el almacenamiento de calor latente (LHS)
con su principal ventaja de tener una alta densidad de almacenamiento a
temperatura constante Por lo tanto los materiales de cambio de fase han
demostrado que su almacenamiento de energiacutea teacutermica latente se puede utilizar
para calentar y enfriar a sistemas de construccioacuten pasivos o activos (B Zalba J
Marin L Cabeza y H Mehling 2003)
Investigaciones maacutes recientes han estudiado sus propiedades fiacutesicas
quiacutemicas cineacuteticas y especialmente teacutermicas para seleccionar el material de
cambio de fase maacutes adecuado para la presente investigacioacuten (Ramiacuterez A
Santos A amp Gonzaacutelez N 2012)
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
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Diego Sarabia Meacutendez
El intereacutes sostenido en comprender la importancia de los materiales de
cambio fase llevoacute a investigar el disentildeo del elemento constructivo con los PCM
incorporados para reducir la demanda energeacutetica de la vivienda en estudio y
contribuir a mejoras de condiciones de habitualidad Aquiacute se utilizoacute la
herramienta simulacioacuten Energy Plus para evaluar el rendimiento teacutermico de una
vivienda en estudio ubicada en la ciudad de Concepcioacuten de la regioacuten del Biacuteo-Biacuteo
Chile
En este estudio se demostroacute que es posible maximizar la eficiencia del
ahorro de energiacutea en sistemas activos de climatizacioacuten al optimizar el PCM
aplicado a las paredes exteriores Se identificoacute que los materiales de cambio de
fase son una contribucioacuten a la implementacioacuten del acondicionamiento pasivo
debido a su gran almacenamiento energeacutetico
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CAPITULO I ENUNCIADO DE LA INVESTIGACIOacuteN
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11 Planteamiento del problema
En la actualidad las necesidades energeacuteticas a nivel mundial han
aumentado de manera significativa por distintas razones Hoy en diacutea los edificios
consumen maacutes del 40 de la energiacutea primaria del mundo que son responsables
del 30 de las emisiones de gases de efecto invernadero (Thorpe 2011)
A nivel local el sector residencial es responsable de las altas demandas
energeacuteticas equivalente a 23 del consumo energeacutetico nivel paiacutes Del parque
habitacional existente en Chile 75 fue construido sin consideraciones teacutermicas
y de eficiencia energeacutetica dicha situacioacuten provoca que el usuario asuma el costo
del consumo energeacutetico para mantener la vivienda en zona confort (Wegertseder
2015)
Se estima que el sector de la construccioacuten es el responsable de generar
el 33 del total de emisiones de gases de efecto invernadero (MINVU 2018)
A traveacutes de un estudio realizado el antildeo 2019 por la Caacutemara Chilena de
la Construccioacuten sobre los usos de la energiacutea en el sector residencial declara que
el 53 del consumo total de la vivienda chilena es destinado a calefaccioacuten (CDT
2019)
Una forma eficiente de reducir el consumo de energiacutea para calefaccioacuten o
refrigeracioacuten en los espacios es aumentar la inercia teacutermica de un edificio De
esta manera las temperaturas interiores son menos sensibles a las variaciones
de la temperatura exterior y se requiere menos energiacutea para mantenerlas en el
rango de confort teacutermico Un edificio con una estructura de marco de concreto
tendraacute una mayor inercia teacutermica que un edificio con una estructura de marco de
acero o madera (Soares N Costa J J Gaspar A R amp Santos P 2013) Una
forma de aumentar la inercia teacutermica de un edificio es utilizar el almacenamiento
de calor latente (LHS) que es la energiacutea que almacena un material cuando sufre
un cambio de fase (Akeiber H Nejat P Majid M Z A Wahid M A
Jomehzadeh F Zeynali Famileh IZaki S A 2016)
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Diego Sarabia Meacutendez
El material de cambio de fase (PCM) es un tipo de material que
experimenta un cambio de fase en este caso de liacutequido a soacutelido a una
temperatura dentro del rango de confort teacutermico Este tipo de material tiene la
capacidad de almacenar grandes cantidades de energiacutea en comparacioacuten con los
materiales de construccioacuten tradicionales que solo almacenan calor sensible Por
ejemplo una pared que contiene PCM con 25 mm de espesor almacena
aproximadamente la misma energiacutea que una pared de concreto con 420 mm de
espesor (Al-Saadi S N amp Zhai Z 2013) Los PCM tienen un gran potencial
para aumentar la inercia teacutermica de un edificio debido a su gran LHS por lo tanto
son especialmente uacutetiles en edificios de construccioacuten livianas en seco como
estructuras reticulares en madera o acero galvanizados (Marin P Saffari M de
Gracia A Zhu X Farid M M Cabeza L F amp Ushak S 2016) Esto permite
que el edificio tenga menor peso un aacuterea uacutetil mayor y auacuten mantenga una alta
inercia teacutermica
Cuando los PCM cambian su estado de liacutequido a soacutelido liberan calor
latente y cuando cambian de soacutelido a liacutequido absorben calor latente Cuando este
proceso ocurre a una temperatura entre 19-27 degC el material contribuye a
aumentar el confort teacutermico porque ayuda a mantener la temperatura interna
dentro de este rango Durante el diacutea cuando hay demasiadas ganancias de
radiacioacuten solar este material cambia su fase de soacutelido a liacutequido absorbiendo
calor y evitando un aumento significativo de la temperatura interior Por la noche
cuando la temperatura exterior baja el material cambia su fase de liacutequido a
soacutelido liberando calor y evitando una gran disipacioacuten de energiacutea en el interior de
la vivienda (Jamil H Alam M Sanjayan J amp Wilson J 2017)
Durante el verano puede ocurrir un sobrecalentamiento en el muro y
hacer que se use un PCM que se derrita a altas temperaturas (alrededor de
26 degC) ya que evitaraacute que la temperatura de una habitacioacuten elevaacutendose por
encima del rango de confort teacutermico Si el objetivo es la estabilizacioacuten de la
temperatura interior en la zona de confort un PCM que se derrita a 23 degC deberiacutea
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
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Diego Sarabia Meacutendez
ser la mejor opcioacuten En el invierno puede ser necesario evitar que la temperatura
de una habitacioacuten baje por debajo del rango de confort teacutermico y en este caso
se recomienda un PCM que solidifique alrededor de 21 degC (Soares N Gaspar
A R Santos P amp Costa J 2014)
Esta tecnologiacutea no solo tiene el potencial de ahorrar cantidades
considerables de energiacutea y emisiones de CO2 sino que tambieacuten se puede utilizar
para aprovechar los precios pico de electricidad utilizando las unidades de aire
acondicionado cuando hay una menor demanda en la red eleacutectrica Por ejemplo
en invierno la unidad de aire acondicionado (AC) podriacutea funcionar durante la
noche produciendo calor que seriacutea absorbido por el tablero PCM y luego liberado
por eacutel durante el diacutea cuando los precios de la electricidad son mucho maacutes altos
(Devaux P amp Farid M 2017) Esto tambieacuten como la ventaja de evitar el ruido y
las corrientes de aire causadas por las unidades de CA durante las horas de
trabajo de una oficina
Aunque esta tecnologiacutea tiene un gran potencial en almacenar energiacutea
con respecto a otros materiales existe el problema de la baja transferencia de
calor porque estos materiales generalmente tienen baja conductividad teacutermica lo
que hace que la absorcioacuten y liberacioacuten de calor por parte del PCM sea mucho
maacutes difiacutecil (Fan L amp Khodadadi J M 2011)
Para aprovechar la gran capacidad de almacenamiento de calor latente
la temperatura de una zona debe estar cerca de la temperatura de cambio de
fase de lo contrario un PCM solo almacena calor sensible que es insignificante
en comparacioacuten al calor latente (Chwieduk 2013)
Investigadores concluyen sobre acondicionamiento teacutermico en
envolventes de viviendas utilizando materiales de cambio de fase que la
implementacioacuten adecuada de los PCM en una edificacioacuten puede un 35 reducir
el consumo energeacutetico y por lo tanto es posible usar equipos de
acondicionamiento teacutermico de menor potencia e incluso prescindir de ellos (Bello
R E Muntildeoz M M Vasco C 2015)
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En el desarrollo de aplicaciones para los PCM un investigador disentildeoacute un
muro con material de cambio de fase y para probar su funcionamiento utilizoacute dos
habitaciones ideacutenticas En la primera habitacioacuten los muros teniacutean un enlucido de
yeso normal y en la segunda habitacioacuten el muro poseiacutea una placa de yeso
revestido con micro encapsulacioacuten de PCM (50 butil estearato y 48 palmitato
de butilo) Resultoacute que la habitacioacuten con material cambio de fase una reduccioacuten
energeacutetica de 22 (Scalat S Banu D Hawes D Paris J Haghighata F
Feldman D 1996)
Los investigadores a nivel mundial han creado estrategias para
solucionar el consumo energeacutetico En Chile auacuten no se analiza en forma
sistemaacutetica considerando que seriacutea de gran ayuda para disminuir el consumo
energeacutetico residencial
Por todo lo anteriormente mencionado se establece que esta
investigacioacuten estaraacute orientada al estudio de materiales con cambio de fase
simulando su comportamiento teacutermico de una vivienda en estudio ubicada en la
ciudad de Concepcioacuten de la regioacuten del Biacuteo-Biacuteo utilizando el software Energy Plus
12 Preguntas de investigacioacuten
iquestEs posible disminuir la demanda energeacutetica de una vivienda en estudio
incorporando materiales con cambio de fase
iquestQueacute material PCM es conveniente utilizar en los muros de la vivienda en
estudio
iquestQueacute comportamiento tendraacuten los PCM en la simulacioacuten
13 Hipoacutetesis
Se puede mejorar la habitabilidad y reducir un 30 la demanda energeacutetica
de una vivienda en estudio en la ciudad de Concepcioacuten mejorando el
almacenamiento teacutermico de sus muros incorporando material con cambio de fase
(PCM)
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14 Objetivos
141 Objetivo general
Proponer una metodologiacutea de evaluacioacuten en funcioacuten de la realidad local
que permitiraacute analizar la potencialidad en aplicar los materiales cambio de fase
en las construcciones chilenas contribuyendo a mejorar las condiciones de
habitabilidad
142 Objetivos especiacuteficos
Identificar materiales con cambio de fase (PCM) utilizados como estrategia
de calefaccioacuten pasiva en edificacioacuten Con la validacioacuten de todos los
reglamentos en Chile
Definir el sistema constructivo del muro exterior en cuanto a la ubicacioacuten
del PCM
Definir materiales con cambio de fase en relacioacuten de sus propiedades
teacutermicas para realizar simulacioacuten energeacutetica
Definir metodologiacutea de caacutelculo y estimar ahorros energeacuteticos para la zona
en funcioacuten del material base
Obtener simulaciones de demanda energeacutetica para la vivienda en estudio
con y sin materiales de cambio de fase incorporados en sus muros
mediante el software Energy Plus
Optimizar el disentildeo de la solucioacuten constructiva con PCM en relacioacuten a los
datos de la zonificacioacuten
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CAPITULO II MARCO TEOacuteRICO
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21 Marco Teoacuterico
A continuacioacuten se nombraraacute conceptos esenciales que aborda la
investigacioacuten tales como aislacioacuten teacutermica conductividad teacutermica confort
teacutermico y Inercia teacutermica
Cabe de destacar que la inercia teacutermica juega un papel importante en los
sistemas de calefaccioacuten pasiva ya que el retraso teacutermico puede ser mayor o
menor dependiendo el espesor y materialidad
La inercia teacutermica permite ir liberando el calor acumulado en los elementos
compuestos por materiales pesados en la vivienda de manera tal que durante
la noche cuando la temperatura desciende esta baja sea amortiguada por el calor
cedido
En el verano la envolvente se encuentra expuesta a la radiacioacuten solar y al
soleamiento por lo tanto debe ser capaz de almacenar el calor obtenido desde
el exterior y asiacute evitar que la temperatura en el interior del recinto sea elevada
durante el diacutea generando una peacuterdida de confort (CCHC 2010)
22 Materiales con cambio de fase (PCM)
Un PCM es una sustancia capaz de almacenar y liberar energiacutea del medio
que le rodea manteniendo la temperatura constante durante la transferencia de
calor Este intercambio de energiacutea se denomina calor latente de un material y se
produce durante el cambio de fase del mismo El intereacutes de estos materiales es
que durante el cambio de fase la temperatura media se mantiene constante
mientras el material absorbe o libera energiacutea durante la etapa de fusioacuten o
solidificacioacuten del material Esto supone una mayor densidad energeacutetica en este
proceso respecto a un intercambio por calor sensible
En una investigacioacuten sobre PCM afirma que estos mediante su calor
latente de fusioacuten almacenan de 5 a 14 veces maacutes calor por unidad de volumen
que materiales por almacenamiento de calor sensible como el agua albantildeileriacutea
o rocas entre otras (Sharma 2009)
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
23
Diego Sarabia Meacutendez
Para la investigacioacuten se estudioacute materiales cambio fase de estado liacutequido-
solido ya que aunque la cantidad de energiacutea almacenada es inferior que entre
otros cambios de estado (solido-gas) la variacioacuten de volumen del estado es
menor
221 Funcionamiento
La mejor forma para explicar el funcionamiento de estos materiales es
estudiando el proceso de cambio de fase del agua en estado liacutequido el agua va
aumentando su temperatura progresivamente hasta alcanzar los 100degC Una vez
alcanza esta temperatura empieza su cambio de estado en el cual absorberaacute
calor pero mantendraacute una temperatura constante de 100degC hasta que finalice su
cambio de fase y todo el liacutequido se haya convertido en vapor De manera inversa
ocurre cuando la temperatura del agua disminuye hasta alcanzar los 0degC En este
caso el agua empezaraacute a liberar calor y durante este proceso mantendraacute su
temperatura constante en 0degC hasta que complete su solidificacioacuten y todo el
liacutequido se haya convertido en hielo (B Zalba J Marin L Cabeza y H Mehling
2003)
En la Figura 21 se observa coacutemo la temperatura se mantiene constante
en 0degC formando una recta horizontal durante su cambio de fase y posteriormente
en 100degC hasta que se convierte en vapor
Figura 21 Diagrama de proceso de cambio de fase Hielo ndash Vapor
Fuente (B Zalba J Marin L Cabeza y H Mehling 2003)
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
24
Diego Sarabia Meacutendez
Del mismo modo actuacutean los PCM cada uno tiene su propia temperatura
de cambio de fase y gracias a las variaciones de temperatura entre el diacutea y la
noche ocurren los ciclos de fusioacuten y solidificacioacuten de estos materiales resultando
en la absorcioacuten maacutexima de energiacutea durante el diacutea cuando las temperaturas
suben y la disipacioacuten de eacutesta en la noche cuando la temperatura ambiente baja
La energiacutea utilizada para cambiar el estado del material dado que la temperatura
de cambio de fase es aproximada a la temperatura ambiente de confort deseada
daraacute lugar a un clima interior maacutes estable y coacutemodo asiacute como tambieacuten reduciraacute
las cargas de enfriamiento y calefaccioacuten en horas pico especialmente en
aquellas edificaciones con baja masa teacutermica (S E Kalnaes and B P Jelle
2015)
222 Propiedades
A continuacioacuten se describiraacuten las propiedades maacutes relevantes que definen un
material de cambio de fase (Oroacute 2012)
a) Propiedades Termofisica
Temperatura de fusioacuten (Tf) en el rango de funcionamiento seguacuten la
aplicacioacuten
Alto calor latente de fusioacuten (ΔHf) por unidad de volumen
Alto calor especiacutefico para proporcionar calor sensible adicional
significativo
Alta conductividad teacutermica en fase soacutelida y liacutequida (buena transferencia de
calor)
Baja variacioacuten de volumen en el cambio de fase y baja presioacuten de vapor a
la temperatura de funcionamiento
Fusioacuten congruente del material de cambio de fase con cada ciclo de
solidificacioacutenfusioacuten con el miacutenimo sub-enfriamiento
Cambio de fase ciclo continuo con termino de vida uacutetil
Alta densidad
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
25
Diego Sarabia Meacutendez
b) Propiedades quiacutemicas
Ciclo de solidificacioacutenfusioacuten reversible y completo
Baja degradacioacuten despueacutes de un elevado nuacutemero de ciclos de
fusioacutensolidificacioacuten
No corrosivo para los materiales encapsulados
No toacutexico no inflamable y no explosivo
c) Econoacutemicas
Abundante y disponible
Rentable en relacioacuten al ahorro energeacutetico y costos del material
Faacutecil reciclaje y tratamiento quiacutemicos
223 Almacenamiento de energiacutea teacutermica
La necesidad de almacenamiento energeacutetico y de buscar formas de
acondicionamiento pasivo es lo que inspira a la investigacioacuten a centrarse en el
almacenamiento teacutermico Es fundamental para el desarrollo del paiacutes disminuir la
demanda energeacutetica sin sacrificar el confort (PRIEN 2002)
En esta seccioacuten de la investigacioacuten se daraacute a conocer las formas de
almacenamiento teacutermico existentes y dando eacutenfasis al almacenamiento
energeacutetico por calor latente donde pertenecen los materiales de cambio fase
(PCM)
El equilibrio termodinaacutemico de los PCM se debe principalmente a los
intercambios de calor con el entorno externo El tiempo para que el PCM alcance
el nuevo equilibrio termodinaacutemico es el tiempo necesario para que el calor sea
intercambiado con el espacio a climatizar Los paraacutemetros baacutesicos de los
materiales de cambio de fase incluyen seguacuten ecuacioacuten (1)
bull Capacidad caloriacutefica [J kg]
119876 = int 119862119901119904 119889119905 + 119862119898 + int 119862119901119897 119889119905 cong 119862119901119904(119879119898 minus 1198791) + 119862119898 + 1198792
119879119898
119879119898
1198791
119862119901119897(1198792 minus 1198791)
Ec 1
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
Donde 119862119901119904 o 119862119901119897 Calor especiacutefico soacutelido y liacutequido kJ(kg times K) 119862119898 Calor
de transformacioacuten de fase (fusioacuten) kJ(kg times K) Tm - temperatura de transicioacuten
de fase (fusioacuten) T1 T2 rango de temperatura de funcionamiento de operacioacuten
224 Clasificacioacuten
Actualmente existe un gran nuacutemero de materiales cambio fase que han
sido investigados debido a que poseen una temperatura y un alto calor latente
de fusioacuten dentro del rango operacional deseado sin embargo exceptuando por
esta caracteriacutestica la mayoriacutea de estos materiales no satisfacen los otros
criterios necesarios para un medio de almacenamiento adecuado (Sharma
2009)
Aquellos que siacute responden a estas prestaciones y se encuentran disponibles en
el mercado pueden ser clasificados en tres grandes grupos orgaacutenicos
inorgaacutenicos y euteacutecticos (V Tyagi amp D Buddhi 2007)
Figura 22 Clasificacioacuten de los Materiales Cambio Fase
Fuente Elaboracioacuten Propia
Materiales Cambio Fase
Organico
Parafina Acido Graso
Inorganico
Sal Hidratada
Metalico
Eutectico
Inorganico -Inorganico
Inorganico -Organico
Organico -Organico
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
Los materiales de cambio de fase liquido-solido maacutes comunes estaacuten en el
rango de temperaturas entre 20degC y 80 degC son las ceras de parafina sales
hidratadas mezclas euteacutecticas y aacutecidos grasos
Las ceras de parafina estaacuten disponibles en el mercado pero su calor
latente (hasta 200 kJkg) es solo la mitad del de las sales hidratadas
Las sales hidratadas son maacutes econoacutemicas que las ceras de parafina y
tambieacuten estaacuten disponibles en el mercado pero tienen algunas desventajas como
las bajas temperaturas de fusioacuten o la corrosioacuten en contacto con metales
En las mezclas euteacutecticas intervienen dos componentes con punto de
fusioacuten (solidificacioacuten) maacutes bajo que el que poseen los compuestos
individualmente Esto hace que la mezcla alcance el punto de congelacioacuten maacutes
bajo posible y ambos se solidifiquen a esa temperatura euteacutectica (Ramiacuterez A
Santos A amp Gonzaacutelez N 2012)
Los PCM tienen una significativa capacidad de almacenar calor por medio
del cambio de estado pero es necesario tener en cuenta los paraacutemetros de
disentildeo del problema y las ventajas y desventajas de los diferentes tipos de
materiales para determinar cuaacuteles son los maacutes apropiados de utilizar en la
construccioacuten dependiendo de sus diferentes caracteriacutesticas y maacutes importante
aun dependiendo de si su temperatura de cambio de fase se acerca a la
temperatura de confort
2241 PCM inorgaacutenicos sales hidratadas
Seguacuten varios investigadores estos materiales fueron muy estudiados en
las primeras etapas de investigacioacuten de PCM por su bajo costo y su capacidad
de almacenamiento de grandes cantidades de calor por unidad de volumen en
comparacioacuten con las sustancias orgaacutenicas que las convierten en candidatos
idoacuteneos para sus muacuteltiples aplicaciones en el aacutembito del almacenamiento de
energiacutea
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
La buacutesqueda de sustancias con temperatura de cambio de fase proacutexima a
la temperatura ambiente no ha encontrado buenos candidatos dentro de este
grupo y las investigaciones se han dirigido maacutes hacia las sustancias orgaacutenicas
Tabla 21 Ventajas e inconvenientes de los PCM inorgaacutenicos
Ventajas Inconvenientes
Econoacutemicos Problemas en el encapsulado y preparacioacuten
del material
Elevada densidad de
almacenamiento teacutermico
Para un uso prolongado necesita de aditivos
Elevada conductividad teacutermica Son susceptibles de sub enfriamiento
(Inestables)
Temperatura de cambio de fase
claramente definida
Debido a la inestabilidad teacutermica y histeacuteresis
se debe aplicar aditivos para evitar una fusioacuten
incongruente en su aplicacioacuten donde puede
reducir su capacidad de almacenamiento de
calor latente
No inflamables Potencialmente corrosivos con algunos
metales
Reciclables y biodegradables
Fuente (Ramiacuterez A Santos A amp Gonzaacutelez N 2012)
Las sales hidratadas tienen algunas propiedades atractivas como los
elevados valores de calor latente no son inflamables y su elevado contenido
hiacutedrico significa que son baratos y muy disponibles Sin embargo sus
caracteriacutesticas de inadaptacioacuten (corrosioacuten inestabilidad dificultades de re-
solidificacioacuten y tendencia al sub enfriamiento) han implicado la realizacioacuten de
estudios hasta la actualidad para poder manejar estas desventajas y realizar su
correcta aplicacioacuten Necesitan por tanto un contenedor para utilizarlos como
aditivos de otros materiales (Ramiacuterez A Santos A amp Gonzaacutelez N 2012)
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Tabla 22 Temperatura de fusioacuten de algunas sales hidratadas
PCM Temperatura
fusioacuten (ordmC)
Q fusioacuten (kJkg)
KFmiddot4H2O 185 231
Na2SO4middot10H2O 324 254
CaCl2middot6H2O 24ndash29 192
CaCl2middot6H2O+Nucleador+MgCl2middot6H2O 23 -
Fuente (Ramiacuterez A Santos A amp Gonzaacutelez N 2012)
En la tabla 21 se muestran algunas ventajas y desventajas de los PCM
inorgaacutenicos y en la tabla 22 se muestran las temperaturas de fusioacuten de las sales
hidratadas que permiten determinar cuaacuteles son las oacuteptimas para utilizar en
aislacioacuten (las cuales su temperatura de fusioacuten se acerca a la temperatura de
confort)
2242 PCM orgaacutenicos parafinas aacutecidos grasos y mezclas orgaacutenicas
Los PCM orgaacutenicos poseen unas caracteriacutesticas que los hacen muy uacutetiles
en su aplicacioacuten en determinados elementos constructivos para almacenamiento
de calor latente
Investigadores determinaron que son maacutes estables quiacutemicamente que las
sustancias inorgaacutenicas funden y solidifican convenientemente sin necesidad de
agentes nucleadores y no sufren sub-enfriamiento o histeacuteresis (Gawron 1981)
No obstante se ha demostrado que son maacutes compatibles y adecuados para la
adsorcioacuten en varios materiales constructivos Aunque el costo inicial en materia
prima de un PCM orgaacutenico es superior al de un inorgaacutenico su costo final es
competitivo
Sin embargo estos materiales tienen otras desventajas la maacutes
significativa es que son inflamables y que emiten gases nocivos durante su
combustioacuten Otros problemas menos extendidos son las reacciones con los
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
productos de la hidratacioacuten en hormigoacuten (hidroacutexido de calcio) envejecimiento por
oxidacioacuten y cambios de olor
Muchos de estos inconvenientes se han eliminado Se ha visto que el
envejecimiento por oxidacioacuten de los PCM puede inhibirse utilizando un oxidante
adecuado Se estaacute investigando tambieacuten en la emisioacuten de gases y la
inflamabilidad de algunos de los PCM maacutes efectivos para establecer un radio de
ignicioacuten Tambieacuten se estaacute investigando sobre la compatibilidad de los PCM con
el hormigoacuten (Ramiacuterez A Santos A amp Gonzaacutelez N 2012)
En la tabla 23 se muestran algunas ventajas y desventajas de los PCM
orgaacutenicos y en la tabla 24 y 25 se muestran las temperaturas de fusioacuten de las
parafinas y aacutecidos grasos que permiten determinar cuaacuteles son las oacuteptimas para
utilizar en aislacioacuten (las cuales su temperatura de fusioacuten se acerca a la
temperatura de confort)
Tabla 23 Ventajas e inconvenientes de los PCM orgaacutenicos
Ventajas Inconvenientes
Faacuteciles de usar Calor latente y entalpiacutea maacutes bajos
Estabilidad teacutermica y quiacutemica Baja conductividad teacutermica
No sufren subenfriamiento Amplio rango de fusioacuten
No necesitan agente nucleador para
solidificar
Inflamables
No corrosivos Reaccioacuten potencial con hormigoacuten
Reciclables y ecoloacutegicamente inocuos Alto costo
Compatibilidad con materiales de construccioacuten convencionales
Fuente (Ramiacuterez A Santos A amp Gonzaacutelez N 2012)
Dentro de los PCM orgaacutenicos se pueden encontrar tres grupos de
sustancias diferentes parafinas aacutecidos grasos y mezclas orgaacutenicas A
continuacioacuten se presenta una pequentildea descripcioacuten de estos (Ramiacuterez A
Santos A amp Gonzaacutelez N 2012)
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
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Diego Sarabia Meacutendez
22421 Parafinas
Las parafinas son esencialmente un alcalino solido refinado Muestran dos
rangos de enfriamiento un rango maacutes estrecho para un breve periodo de tiempo
y un rango maacutes extenso que ocurre durante un periodo maacutes amplio Ambos se
interpretan como una transicioacuten de liacutequido a amorfo-soacutelida y amorfo-solida a
cristalino-solida respectivamente Parte del calor latente total de fusioacuten se
almacena en la sustancia durante cada una de estas transiciones
Tabla 24 Temperatura de fusioacuten de algunas parafinas
PCM Temperatura fusioacuten (ordmC) Q fusioacuten (kJkg)
Hexadecano 18 236
Heptadecano 22 214
Octadecano 28 244
Parafina 20ndash60 200
RT25 25 147
Fuente (Ramiacuterez A Santos A amp Gonzaacutelez N 2012)
22422 Aacutecidos Grasos
Los aacutecidos grasos derivados de productos animales y vegetales estaacuten
constituidos por una larga cadena alifaacutetica maacutes de 12 carbonos Su cadena
alquiacutelica puede ser saturada o insaturada
En general muestran excelentes caracteriacutesticas teacutermicas (punto de fusioacuten
y congelacioacuten) El rango de temperatura de refrigeracioacuten es grande y no se
produce sub enfriamiento aunque en algunos casos se han detectado Estos
materiales sin embargo tienen elevado costo pudieacutendose utilizar en dispositivos
especiales de almacenamiento de calor o frio
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
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Diego Sarabia Meacutendez
Tabla 25 Temperatura de fusioacuten de algunos aacutecidos grasos
PCM Temperatura fusioacuten (ordmC) Q fusioacuten (kJkg)
Caacuteprico 315 158
Laacuteurico 42-44 179
Pentadecano 52 159
Miriacutestico 54 190
Palmiacutetico 63 183
Esteaacuterico 70 196
Eritrol 116-118 126
Fuente (Ramiacuterez A Santos A amp Gonzaacutelez N 2012)
2243 Mezclas euteacutecticas
Tambieacuten existen las mezclas euteacutecticas que puede ser la mezcla de 2
PCM orgaacutenicos de 2 PCM inorgaacutenicos o de un PCM Orgaacutenico maacutes un PCM
inorgaacutenico A continuacioacuten en la tabla 26 se muestra la clasificacioacuten de los PCM
Tabla 26 Clasificacioacuten de los PCMs
Tipo PCM Composicioacuten
Orgaacutenicos Compuestos de parafina
Compuestos sin parafina
Inorgaacutenicos Sales hidratadas
Metaacutelicos
Euteacutecticos Orgaacutenico-Orgaacutenico
Orgaacutenico-Inorgaacutenico
Inorgaacutenico-Inorgaacutenico
Fuente (JuarezD Balart R Ferrandiz S amp Garcia D 2012)
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
23 Criterios de seleccioacuten de los Materiales con Cambio se Fase
Es muy importante la correcta seleccioacuten del material de cambio de fase
dependiendo del campo en que se desee utilizar por lo que a continuacioacuten se
presentaran algunos criterios para seleccionar un PCM correctamente Estos
criterios son propuestos seguacuten una investigacioacuten realizada en Espantildea (Ramiacuterez
A Santos A amp Gonzaacutelez N 2012)
a) Fiacutesicas
bull La densidad del liacutequido y del solido deben ser similares y preferiblemente
elevadas para poder almacenar mayor cantidad de calor por unidad de volumen
bull Variacioacuten de volumen (en el cambio de fase) bajo
b) Cineacuteticas
bull Evitar el problema de histeacuteresis subenfriamiento o retardo al inicio de la
solidificacioacuten como ocurre en los PCM inorgaacutenicos que se produce al no ceder
el calor latente de un PCM pese a que su temperatura sea inferior al punto de
congelacioacuten
c) Quiacutemicas
bull El proceso de cambio de fase debe ser totalmente reversible y solo dependiente
de la temperatura
bull Ser quiacutemicamente estables en el tiempo evitando su descomposicioacuten y
contaminacioacuten
bull No presentar segregacioacuten de fases
bull Ser compatibles con los materiales de encapsulado y otros con los que esteacute en
contacto estabilidad quiacutemica para evitar oxidacioacuten descomposicioacuten teacutermica
hidroacutelisis corrosioacuten y otras reacciones
bull No inflamables y resistentes al fuego
d) Teacutermicas
bull La temperatura de cambio de fase debe ser adecuada a cada aplicacioacuten
particular
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
bull Presentar una temperatura de fusioacuten definida o al menos el cambio de fase
debe producirse en un valor discreto o en un pequentildeo intervalo de temperaturas
bull Poseer una gran capacidad de almacenamiento de calor sensible (calor
especiacutefico) en estado soacutelido y liacutequido y elevada entalpia de cambio de fase calor
latente
bull Poseer una alta conductividad teacutermica para facilitar la transferencia de calor
e) Econoacutemicas
bull Estar disponible en grandes cantidades a bajo costo para que sean viables
teacutecnica y econoacutemicamente
bull Tener un razonable ciclo de vida uacutetil de acuerdo con su costo
24 Vida uacutetil del material cambio fase
El tiempo de vida uacutetil de un PCM viene determinado por la cantidad de
ciclos teacutermicos que es capaz de soportar un material manteniendo su estabilidad
teacutermica El PCM es sometido a repetidos ciclos de calentamiento y enfriamiento
en los que el material cambia de fase de soacutelido a liacutequido y posteriormente vuelve
a cambiar de fase de liacutequido a soacutelido Se miden sus propiedades teacutermicas en
temperaturas fusioacuten y entalpias obteniendo el nuacutemero de ciclos en los que las
propiedades teacutermicas del material no variacutean de forma considerable
Tras realizar una exhaustiva buacutesqueda existe muy poca bibliografiacutea
acerca de la degradacioacuten teacutermica de los PCM y la determinacioacuten de su tiempo de
uso especialmente en aplicaciones para edificacioacuten donde la vida uacutetil del material
debe ser elevada
Aunque es complicado conocer la vida uacutetil real de estos materiales y en
queacute momento dejan de conservar sus propiedades adecuadas para las
aplicaciones a las que se destina existen algunos artiacuteculos basados en
experimentos realizados en laboratorios de materiales sometidos a ciclos
teacutermicos acelerados para determinar si en un nuacutemero de ciclos el material
mantiene sus propiedades teacutermicas intactas (temperaturas fusioacuten y entalpias)
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
Algunos materiales son sometidos a 50 100 1000 o hasta 5000 ciclos teacutermicos
Pero el problema es determinar si ese maacuteximo de 5000 ciclos es suficiente para
asegurar que un material seguiraacute cumpliendo su funcioacuten Hasta el momento no
se ha encontrado en la literatura ninguna investigacioacuten donde se ensaye el
material un nuacutemero suficiente de ciclos hasta la peacuterdida de sus propiedades
teacutermicas para poder conocer su vida uacutetil o el nuacutemero de ciclos que es capaz de
soportar el PCM hasta su degradacioacuten
Por todo lo anteriormente expuesto en esta investigacioacuten se ha
considerado la vida uacutetil del material como el mayor nuacutemero de ciclos soportados
por un material obtenidos a partir de los estudios realizados por diferentes autores
en la literatura o fabricante a pesar de no haber llegado a degradarse en su
totalidad
25 Aplicacioacuten en la construccioacuten
El sector de la construccioacuten es el que maacutes beneficios puede obtener de la
utilizacioacuten de materiales con cambio de fase (PCM) ya que tiene importantes
beneficios en ahorro energeacutetico reducir la contaminacioacuten de CO2 y optimizar la
inercia teacutermica en las edificaciones con el objetivo de mejorar la habitabilidad de
los usuarios
La temperatura interior en un edificio depende de las condiciones
exteriores interiores y de las caracteriacutesticas teacutermicas de la edificacioacuten como la
capacidad teacutermica de los materiales que tiene un efecto como el mostrado en la
figura 23 el cual no considera un sistema activo en su anaacutelisis
Figura 23 Estabilizacioacuten de la temperatura interior por el efecto inercia teacutermica
Fuente (M Kenisarin amp K Mahkamov 2007)
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
Actualmente la mayoriacutea de los materiales de construccioacuten son livianos lo
que trae como consecuencia una baja capacidad caloriacutefica La introduccioacuten de
materiales de cambio de fase puede aumentar la inercia teacutermica del edificio sin
aumentar mucho su peso Sin embargo es necesario disponer de aacuterea de
transferencia de calor suficiente para liberar esa energiacutea (Dincer I amp Rosen M
2002) y es imprescindible que se pueda descargar el material por medio de la
ventilacioacuten durante la noche para prevenir el sobrecalentamiento en los
elementos con PCM (M Kenisarin amp K Mahkamov 2007)
La Figura 24 muestra una comparacioacuten entre el espesor de material
requerido para obtener la misma capacidad teacutermica que la obtenida con un
centiacutemetro de PCM
Figura 24 Espesor requerido de distintos materiales Vs Energiacutea teacutermica
Fuente (M Kenisarin amp K Mahkamov 2007)
Las caracteriacutesticas requeridas para el empleo de materiales de cambio de
fase en la edificacioacuten son
0 5 10 15 20 25 30 35 40
Yeso
Madera
Hormigon
Ceramico
Ladrillo
PCM
Espesor (cm)
H (
kJK
g)
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Diego Sarabia Meacutendez
Temperatura de cambio de fase entre 12 y 25ordmC
Alta estabilidad a los ciclos de cambio de fases debido a la larga vida uacutetil
de los edificios
No corrosivos para reducir el riesgo de fuga de su contenedor y evitar
dantildeos en la estructura del edificio
Considerar la inflamabilidad al fuego y dar soluciones constructivas de
acuerdo a la normativa
Econoacutemicamente viable en funcioacuten de los costos de implementacioacuten y
ahorro energeacuteticos
Una limitacioacuten de los PCM para su aplicacioacuten en la construccioacuten es la
estacionalidad pues el PCM debe ser seleccionado para aplicaciones en
calefaccioacuten pasiva Esta limitacioacuten reduce los beneficios teacutermicos el ahorro
energeacutetico y su viabilidad econoacutemica Investigadores estudiaron un concepto de
doble capa de PCM para que funcionara durante todo el antildeo (A Pasupathy L
Athanasius R Velraj amp RV Seeniraj 2008)
26 Encapsulacioacuten
Uno de los criterios que ha limitado el uso generalizado de los PCM es la
incompatibilidad entre estos materiales y sus contenedores afectando su
estabilidad a largo plazo degradado sus propiedades y provocando la corrosioacuten
de sus recipientes de embalaje Como respuesta a estos inconvenientes han
surgido diferentes teacutecnicas de encapsulacioacuten de los PCM las cuales ofrecen
unas ventajas significativas tales como
Aumento del aacuterea de transferencia de calor
Reduccioacuten de la reactividad hacia el ambiente exterior
Control de los cambios en el volumen eacutestos ocurren dentro de la capsula
No hay absorcioacuten de humedad
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Diego Sarabia Meacutendez
Los meacutetodos de encapsulacioacuten clasificados de acuerdo a su tamantildeo
pueden ser de dos tipos micro y macro encapsulados (Lane 1986)
261 Microcaacutepsulas
Una investigacioacuten menciona que la micro encapsulacioacuten podriacutea definirse
como el proceso de rodear o envolver una sustancia en otra sustancia a escala
muy reducida produciendo caacutepsulas que van desde 1 μm a 1000 μm de diaacutemetro
Los tres estados de la materia (soacutelidos liacutequidos y gases) pueden ser micro
encapsulado
El material de la membrana exterior debe ser compatible con el PCM y a
su vez ser capaz de hacer frente a la tensioacuten mecaacutenica sobre las paredes del
recipiente provocada por las variaciones de volumen durante el cambio de fase
(S E Kalnaeligs amp B P Jelle 2015)
Por lo general los PCM micro-encapsulados se encuentran
comercialmente disponibles en dos formatos dispersioacuten fluida donde las
caacutepsulas son dispersadas en agua o en polvo en mezclas en seco
La figura 25 muestra en teacuterminos practico la conformacioacuten de la
envolvente de poliacutemero en una cera PCM dimensionando el tamantildeo en ellas
Figura 25 Microcaacutepsulas
Fuente (S E Kalnaes and B P Jelle 2015)
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
262 Macrocaacutepsulas
La macro-encapsulacioacuten hace referencia a PCM encapsulados en
cualquier tipo de recipiente tal como tubos esferas o paneles que pueden ser
incorporados en materiales de construccioacuten o que actuacutean como intercambiadores
de calor por siacute mismos El tamantildeo de estos contenedores es por lo general maacutes
de 1 cm3 almacenando desde varios mililitros hasta varios litros La tecnologiacutea
de macro encapsulacioacuten emplea un proceso de encapsulacioacuten de doble capa
creando una caacutepsula con una configuracioacuten en forma de matriz La principal
ventaja de los envases plaacutesticos es la disponibilidad en el mercado y la facilidad
de producirlos en una gran variedad de formas y con pocas restricciones
geomeacutetricas Ademaacutes son compatibles con la mayoriacutea de PCM incluyendo las
sales hidratadas por lo general no presentan degradacioacuten aunque algunos
materiales orgaacutenicos pueden llegar a suavizarlos (S E Kalnaes and B P Jelle
2015)
El PCM se encuentra confinado por la encapsulacioacuten evitaraacute cambios
volumeacutetricos importantes lo que evita varios riesgos y garantiza la integridad del
componente en el que se insertan las caacutepsulas La barrera polimeacuterica puede ser
de otros materiales por ejemplo como aluminio ya que mejora la compatibilidad
con otros materiales de construccioacuten y evita la corrosioacuten Este tipo de aplicacioacuten
es de faacutecil manejo una clara ventaja de este proceso en relacioacuten a los meacutetodos
de impregnacioacuten e inmersioacuten del iacutetem anterior
Figura 26 Caacutepsulas de macro PCM (Contenedor plano Esfera Placas de
barra doble y placas de aluminio)
Fuente (S E Kalnaeligs amp B P Jelle 2015)
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
CAPITULO III MEacuteTODOS Y METODOLOGIacuteA
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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En este estudio la evaluacioacuten se centra en el anaacutelisis de optimizacioacuten de
la aplicacioacuten PCM a los muros exteriores y dimensionamiento del rendimiento
teacutermico de una vivienda en estudio
Los modelos generados en el software Energy Plus se ingresoacute valores de
los sistemas constructivos de la vivienda en estudio condiciones climaacuteticas
caracterizacioacuten PCM en muros exteriores y caracterizacioacuten macro encapsulacioacuten
de acuerdo con las directrices (DOE 2016) se explica en las siguientes secciones
del capiacutetulo
31 Herramienta de simulacioacuten de energiacutea
Para evaluar los PCM de comportamiento teacutermico variable de la vivienda
en estudio con y sin PCM se utilizoacute el software EnergyPlus v 87
En teacuterminos generales el software puede evaluar una variedad de caacutelculos
destacados como los caacutelculos de puentes teacutermicos HVAC integrado y
simulaciones de carga de construccioacuten confort teacutermico y materiales con
conductividad teacutermica variable como el PCM (DB Crawley LK Lawrie FC
Winkelmann WF Buhl YJ Huang amp CO Pedersen 2001) Ademaacutes hay
muchas opciones para la conveccioacuten de la superficie interior y exterior
algoritmos infiltracioacuten avanzada e ventilacioacuten energiacutea desarrollada costos del
ciclo de vida algoritmos avanzados de confort teacutermico como como la calidad del
aire interior y el confort teacutermico para los ocupantes (DB Crawley JW Hand M
Kummert amp BT Griffith 2008)
Para analizar el comportamiento teacutermico variable de los PCM en estudio
se utilizoacute el algoritmo de diferencia finita de conduccioacuten (CondFD) Este algoritmo
modela la transferencia de calor en presencia de PCM y junto con la ecuacioacuten (2)
discretiza la envolvente del edificio en varios nodos para resolver numeacutericamente
la transferencia de calor en el software se puede escoger ecuaciones por un
esquema totalmente impliacutecito y el Crank-Nicolson que es semi-impliacutecito (KO
Lee 2016)
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
En esta investigacioacuten se utiliza un esquema Crank-Nicolson para simular
PCM para un material homogeacuteneo con espaciado uniforme de nodos como se
muestra en la ecuacioacuten (2) (3) y (4) extraiacutedo del manual del software
EnergyPlus (DOE 2016)
119862119901120588∆119909119879119894
119895+1minus 119879119894
119895
∆119905= (119896119908
119879119894+1119895+1
minus 119879119894119895+1
∆119909+ 119896119864
119879119894minus1119895+1
minus 119879119894119895+1
∆119909+ 119896119908
119879119894+1119895
minus 119879119894119895
∆119909+ 119896119864
119879119894minus1119895
minus 119879119894119895
∆119909)
Ec 2
∆119909 = radic119888120572∆119905 Ec 3
Donde Cp y ρ son el calor especiacutefico y la densidad del material Δ119909 es el
espesor de capa de diferencia finita Δ119905 es el paso de tiempo 119879 es la temperatura
de un nodo 119894 119894 + 1 y 119894 minus 1 son los nodos adyacentes al interior y exterior
respectivamente de una capa de material 119895 y 119895 + 1 son los pasos de tiempo
anterior y nuevo 119896119908 y 119896119864 representan las conductividades teacutermicas 119896119908 =
119896119894+1119895+1
+119896119894119895+1
2 y 119896119864 =
119896119894minus1119895+1
+119896119894119895+1
2 120572 es la difusividad teacutermica del material y 119888 es la
constante de discretizacioacuten del espacio que puede definir el usuario (3 es el valor
predeterminado para esta constante seguacuten manual)
Esta investigacioacuten considera el uso de paneles PCM por lo tanto el
algoritmo CondFD ecuacioacuten (2) debe combinarse con una funcioacuten de temperatura
de entalpiacutea ℎ = ℎ (119879) estos datos en la funcioacuten se obtendraacuten de acuerdo al estudio
bibliograacutefico El algoritmo usa esta funcioacuten para actualizar el calor especiacutefico
equivalente (119862119901) en cada paso de tiempo como se muestra en la ecuacioacuten (4)
lowast 119862119901(119879) =ℎ119894
119895minus ℎ119894
119895minus1
119879119894119895
minus 119879119894119895minus1
Ec 4
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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32 Descripcioacuten Vivienda en estudio
En este apartado se define los sistemas constructivos de la vivienda en
estudio con y sin PCM para obtener la liacutenea base de comparacioacuten
En la figura 31 se muestra el disentildeo de vivienda en estudio de 56 m2 y
los espacios interiores con su distribucioacuten de aacutereas veacutease en la tabla 31 esta
vivienda se configuro de acuerdo a las soluciones constructivas acreditadas
(MINVU Soluciones constructivas acreditadas al fuego teacutermico y acuacutestico
2020)
Las caracteriacutesticas de la envolvente de la vivienda en estudio cuentan con
la configuracioacuten miacutenima de la reglamentacioacuten teacutermica que actualmente rige en
Chile estaacute establecida en la Ordenanza General de Urbanismo y Construcciones
en su artiacuteculo 4110 y en una zonificacioacuten del paiacutes en zonas teacutermicas seguacuten
grados-diacutea especificados en el manual de aislamiento teacutermico (MINVU Manual
de aplicacioacuten y reglamentacoacuten teacutermica 2017) Los complejos de techumbres
muros perimetrales y pisos inferiores ventilados entendidos como elementos que
constituyen la envolvente de la vivienda deberaacuten tener una transmitancia teacutermica
ldquoUrdquo igual o menor o una resistencia teacutermica total ldquoRtrdquo igual o superior a la
sentildealada para la zona que le corresponda al proyecto de arquitectura de acuerdo
con los planos de zonificacioacuten teacutermica corresponde a zona 4 y se verifica lo
anteriormente expuesto en la tabla 32 cabe sentildealar que los valores de
transmitancia teacutermica se extrajeron de acuerdo a las ecuaciones de balance
teacutermico que estaacute incorporado en el software
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Figura 31 Descripcioacuten Vivienda en estudio
Elaboracioacuten Propia - Software Revit
A continuacioacuten se muestra las dimensiones que tiene cada espacio de las
dos torres del edificio en las siguientes tablas
Tabla 31 Resumen superficies de los distintos espacios vivienda en estudio
Torre A
Lugar Superficie (119950120784) Altura (m)
Dormitorio Primario 8 24
Dormitorio Secundario 7 24
Cocina 9 24
Living - Comedor 28 24
Bantildeo 3 24
TOTAL 56
Fuente Elaboracioacuten Propia
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teacutermica de una viviendardquo
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Tabla 32 Cumplimiento de la envolvente elementos constructivos de la vivienda en estudio
Elemento Materiales (exterior al
interior)
Espesor (m)
Transmitencia teacutermica Valor U (Wm2K)
Transmitencia teacutermica exigida Valor U (Wm2K)
Muro Exterior
Siding
Fibrocemento
0006
0672
17
Plancha OSB 0009
Entramado
madera pino 2x3
0075
Lana de vidrio 005
Caacutemara no
ventilada
(Ubicacioacuten del
PCM)
0026
Placa yeso cartoacuten 0015
Muro Interior
Placa yeso cartoacuten 0015
0677
17
Entramado
madera pino 2x2
0075
Lana de vidrio 005
Placa yeso cartoacuten 0015
Techumbre
Plancha Zincalum 0035
0316
038
Fieltro 0005
Plancha OSB 0009
Entramado madera pino 2x2
0075
Lana de Vidrio 005
Placa yeso cartoacuten 00125
Piso en contacto
con el terreno
Radier Hormigoacuten 02 17 No aplica
Fuente Elaboracioacuten Propia
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Para integrar el PCM con la vivienda en estudio se configuro las
propiedades teacutecnicas y la ubicacioacuten optima interna del PCM al panel externo
constructivo donde se administroacute en el modelo de simulacioacuten veacutease en la Figura
313 y figura 38
321 Meacutetodo de zona en software EnergyPlus
El modelo de construccioacuten creado se utilizoacute el meacutetodo de zona donde
todas las zonas fueron modeladas con informacioacuten completa en construccioacuten
ocupacioacuten equipamiento y HVAC
Al iniciar el modelo se elige la ubicacioacuten y el tipo de anaacutelisis Despueacutes se
debe ingresar un nombre al sitio y a cada zona Ademaacutes se puede asignar varios
edificios bajo el mismo sitio cada uno con su propio nombre Una vez definido lo
anterior se genera bloque que generalmente representa un piso o nivel planta
para este estudio se genera bloque de acuerdo a la figura 32
Figura 32 Modelo de zona en casa de estudio
Fuente Elaboracioacuten Propia
La fase de zonificacioacuten separa las diferentes zonas teacutermicas Para el
modelo cada suite se considera una zona El meacutetodo de zona permite asignar
diferentes horarios operativos a cada zona Cada una de las paredes de cada
bloque se llama superficie y ventanas o puertas como sub-superficies o
aberturas La vivienda se muestra parcialmente en la Figura 33
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Figura 33 Zona y sub-superficie de vivienda en estudio
Fuente Elaboracioacuten Propia
El software da la posibilidad de elegir los materiales utilizados en la
construccioacuten de la vivienda a traveacutes de sus bibliotecas de materiales o pueden
ser creados por el usuario y los materiales elegidos son asignado a las partes
especificadas de la vivienda Estos pasos se repitieron en todos los pisos para
completar todo el modelo de construccioacuten
33 Datos meteoroloacutegicos
El modelo de simulacioacuten se mantuvo en base a los datos meteoroloacutegicos
con formato EPW en Energy plus se definioacute la ubicacioacuten Concepcioacuten Chile Con
el objetivo de evaluar el rendimiento teacutermico y analizar la optimizacioacuten de la
posicioacuten del PCM al muro exterior de la vivienda en estudio Las configuraciones
de los datos meteoroloacutegicos se muestran en la Figura 34
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Figura 34 Configuracioacuten datos meteoroloacutegico
Fuente Elaboracioacuten Propia
34 Jornadas de ocupacioacuten
Para realizar la simulacioacuten energeacutetica se deben definir una serie de
planillas de ocupacioacuten de los recintos uso de luminaria y equipos En estas
planillas de ocupacioacuten se define el ciclo horario para todos los diacuteas del antildeo
Esto se realiza con la finalidad de establecer los periodos en los que
influyen los distintos tipos de cargas internas en la vivienda
A continuacioacuten se adjunta a modo de ejemplo la figura 35 en la cual se
puede ver el menuacute de configuracioacuten de las plantillas de ocupacioacuten
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Figura 35 Planilla de uso horario de un recinto
Fuente Elaboracioacuten propia
35 Configuracioacuten envolvente por elemento y sistemas de climatizacioacuten
Definidos las zonas y multi zonas del modelo se deberaacute configurar los
sistemas constructivos en sus propiedades teacutermicas y dimensiones El software
automaacuteticamente genera el caacutelculo de transmitancia teacutermica anaacutelisis de
condensacioacuten y dimensioacuten en imagen por elemento Veacutease en la figura 36
Para configurar el sistema de climatizacioacuten primero se debe definir los
rangos de temperatura confort teacutermico en la pestantildea de actividades del software
Veacutease figura 37 A continuacioacuten se define el tipo de sistema de climatizacioacuten
definiendo las horas de operacioacuten tipo combustible y rendimiento del sistema
como se muestra en la figura 38
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Figura 36 Planilla configuracioacuten envolvente por elemento
Fuente Elaboracioacuten propia
Figura 37 Planilla configuracioacuten rango de temperatura confort teacutermico
Fuente Elaboracioacuten propia
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teacutermica de una viviendardquo
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Figura 38 Planilla configuracioacuten del tipo de sistema de climatizacioacuten
Fuente Elaboracioacuten propia
36 Caracterizacioacuten PCM
En este estudio se utilizoacute placas PCM tipo orgaacutenico de parafina tiene una
relacioacuten de mezcla de n-octadecano a n-heptadecano seleccionado debido a la
eficiencia energeacutetica con temperatura cercana al confort teacutermico (12ndash26 deg C)
basado en ISO 13790 (KO Lee 2016)
Seguacuten el estado de arte existente se definioacute los tres materiales de cambio
de fase los cuales son candidatos idoacuteneos para utilizar en esta investigacioacuten
Estos materiales han sido estudiados por diversos autores con el fin de obtener
sus propiedades termofiacutesicas y usarlas en la edificacioacuten La razoacuten de utilizar estos
materiales es debido a sus propiedades teacutermicas y el que su temperatura de
fusioacuten es cercana a la temperatura de confort
Ademaacutes la vida uacutetil del PCM es de 13 antildeos seguacuten su ciclo de cambio
fase considerando 365 cambios fase anual el cual se justifica con los costos de
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
inversioacuten al implementar esta tecnologiacutea dependiendo de la magnitud del flujo
de calor el cuaacutel se quiere operar
Las especificaciones teacutecnicas de las placas PCM y el comportamiento de
temperaturas y entalpias de operacioacuten se describen en la tabla 33 las cuales se
vinculan con el algoritmo CondFD de la ecuacioacuten (2) para evaluar su rendimiento
energeacutetico en la vivienda en estudio
361 Seleccioacuten de Materiales Cambio Fase
Tabla 33 Especificaciones teacutecnicas de PCM a utilizar
Caracteriacutesticas RT18HC
Valores Unidades Grafica entalpia y Temperatura
Temperatura de Fusioacuten
18
degC
Almacenamiento de calor
260 [kJkg]
Capacidad calor especifico
2 [kJkgK]
Densidad solido (a los 15degC)
088 [kgl]
Densidad solido (a los 25degC)
077 [kgl]
Conductividad teacutermica
(Ambas fases)
02 [W(mK)]
Expansioacuten de Volumen
125
Maacutexima temperatura operacioacuten
50 degC
Ciclo Cambio fase
5000 -
Caracteriacutesticas RT21HC
Valores Unidades Grafica entalpia y Temperatura
Temperatura de Fusioacuten
21
degC
Almacenamiento de calor
155 [kJkg]
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teacutermica de una viviendardquo
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Capacidad calor especifico
2 [kJkgK]
Densidad solido (a los 15degC)
088 [kgl]
Densidad solido (a los 25degC)
077 [kgl]
Conductividad teacutermica
(Ambas fases)
02 [W(mK)]
Expansioacuten de Volumen
12
Maacutexima temperatura operacioacuten
45 degC
Ciclo Cambio fase
5000 -
Caracteriacutesticas RT22HC
Valores Unidades Grafica entalpia y Temperatura
Temperatura de Fusioacuten
22
degC
Almacenamiento de calor
190 [kJkg]
Capacidad calor especifico
2 [kJkgK]
Densidad solido (a los 15degC)
076 [kgl]
Densidad solido (a los 25degC)
070 [kgl]
Conductividad teacutermica
(Ambas fases)
02 [W(mK)]
Expansioacuten de Volumen
125
Maacutexima temperatura operacioacuten
50 degC
Ciclo Cambio fase
5000 -
Fuente (Rubitherm 2020)
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teacutermica de una viviendardquo
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362 Configuracioacuten del PCM en EnergyPlus
De acuerdo al estudio bibliograacutefico de los materiales cambio fase para
ingresar los datos al software se debe definir las cantidades de temperatura de
operacioacuten identificar el punto de fusioacuten en las graacuteficas de entalpia y temperatura
de la tabla 33 conductividad teacutermica calor especifico densidades y espesor en
el elemento constructivo con el fin de determinar el flujo de calor de operacioacuten
de acuerdo al balance termodinaacutemico de la ecuacioacuten (2) A continuacioacuten se
adjunta a modo de ejemplo la figura 39 en la cual se puede ver el menuacute de
configuracioacuten
Figura 39 Configuracioacuten del PCM en el software
Fuente Elaboracioacuten Propia
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363 Cotizacioacuten PCM RT21
La inversioacuten total del material cambio fase es de $1106679
correspondiente a 160 kg con transporte incluido Se observa que el costo de
transporte afecta considerablemente en su valor (Alemania)
Se realizoacute cotizacioacuten del material RT21 en la empresa alemana Rubitherm
se presenta en la figura 310
Figura 310 Cotizacioacuten del material RT21
Fuente (Rubitherm 2020)
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teacutermica de una viviendardquo
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37 Caracterizacioacuten Macro encapsulacioacuten
En esta seccioacuten la placa de macro encapsulacioacuten utilizada para el PCM
es de materialidad de aluminio veacutease figura 311 esto aumenta la transferencia
de calor en los PCM Son dos placas que estaacuten unidas entre siacute Se unen en dos
puntos centrados y se pegan en sus marcos Pueden ser utilizados para PCM
(orgaacutenico - inorgaacutenico) Por lo tanto se puede ofrecer un rango de temperatura
para una variedad de aplicaciones El grosor depende del volumen de llenado y
por lo tanto de la capacidad de almacenamiento Para el estudio se seleccionoacute
el modelo CSM105 Rubitherm el cual su espesor es de 15 mm y puede
almacenar 2 Kg de PCM por placa
Figura 311 Modulo Almacenamiento Macro encapsulacioacuten de aluminio
Fuente (Rubitherm 2020)
371 Cotizacioacuten Macro encapsulacioacuten
La inversioacuten total de la Macro encapsulacioacuten de aluminio modelo CSM105
Rubitherm es de $ 4326306 correspondiente a 150 unidades con transporte
incluido Se observa que el costo de transporte afecta considerablemente en su
valor (Alemania) Se realizoacute cotizacioacuten de los elementos de Macro encapsulacioacuten
de aluminio modelo CSM105 Rubitherm se presenta en la figura 312
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Figura 312 Cotizacioacuten Macro encapsulacioacuten
Fuente (Rubitherm 2020)
38 Validacioacuten muro constructivo con PCM
De acuerdo a los estudios del estado de arte y conocimientos teacutecnicos se
validoacute el sistema constructivo propuesto del muro exterior en el cumplimiento de
resistencia al fuego de acuerdo al cataacutelogo de soluciones constructivas del
MINVU y de la Ordenanza General de Urbanismo y Construcciones (OGUC)
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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381 Cumplimiento de la OGUC y Resistencia al fuego
Dentro de las exigencias a cumplir por la OGUC se tiene la resistencia
al fuego en elementos constructivos seguacuten el tipo de recinto Para el caso del
muro de la vivienda en estudio se hace el siguiente anaacutelisis
De la tabla Ndeg34 seguacuten ldquodestino del edificiordquo ldquosuperficie edificada (m2)rdquo y
ldquonuacutemero de pisosrdquo se obtiene una clasificacioacuten (a b c y d) seguacuten corresponda
En el caso de estudio se tiene una vivienda de 1 piso por lo que el destino
es ldquoHabitacionalrdquo y por nuacutemero de pisos se establece una clasificacioacuten ldquodrdquo
Tabla 34 Clasificacioacuten de los edificios seguacuten su destino superficie edificada y
nuacutemero de pisos Destino del Edificio Superficie Edificada (m2) Nuacutemeros de Pisos
1 2 3 4 5 6 7 o mas
Habitacional Cualquiera d d c c b a a
Hoteles Sobre 5000 c b a a a a a
Sobre 1500 y hasta 5000 c b b b a a a
Sobre 500 y hasta 1500 c c b b a a a
Hasta 500 d c b b a a a
Oficinas Sobre 1500 c c b b b a a
Sobre 500 y hasta 1500 c c c b b b a
Hasta 500 d c c b b b a
Museos Sobre 1500 c c b b b a a
Sobre 500 y hasta 1500 c c c b b b a
Hasta 500 d c c b b b a
Clinica Hospitales y Lab Sobre 1000 c b b a a a a
Hasta 1000 c c b b a a a
Policlinicos Sobre 400 c c b b b b a
Hasta 400 d c c b b b a
Restaurante Sobre 500 b a a a a a a
Sobre 250 y hasta 500 c b b a a a a
Hasta 250 d c c b b a a
Locales Comerciales Sobre 500 c b b a a a a
Sobre 200 y hasta 500 c c b b a a
Hasta 200 d c b b b a a
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Bibliotecas Sobre 1500 b b a a a a a
Sobre 500 y hasta 1500 b b b a a a a
Sobre 250 y hasta 500 c b b b a a a
Hasta 250 d c b b a a a
Automotoras Cualquiera d c c b b b a
Edificio Estacionamiento Cualquiera d c c c b b a
Fuente (MINVU Soluciones constructivas acreditadas al fuego teacutermico y
acuacutestico 2020)
Para lograr obtener la resistencia al fuego necesaria se debe utilizar
ademaacutes la tabla 34 la cual utilizo como criterios la clasificacioacuten obtenida de la
tabla 35 y el tipo de elemento constructivo
Tabla 35 Resistencia al fuego para diferentes elementos de construccioacuten Elementos de Construccioacuten
Tipo (1) (2) (3) (4) (5) (6) (7) (8) (9)
A F-180 F-120 F-120 F-120 F-120 F-30 F-60 F-120 F-60
B F-150 F-120 F-90 F-90 F-90 F-15 F-30 F-90 F-60
C F-120 F-90 F-60 F-60 F-60 - F-15 F-60 F-30
D F-120 F-60 F-60 F-60 F-30 - - F-30 F-15
Fuente (MINVU Soluciones constructivas acreditadas al fuego teacutermico y
acuacutestico 2020) Simbologiacutea
Elementos verticales
(1) Muros cortafuego
(2) Muros zona vertical de seguridad y caja de escalera
(3) Muros caja de ascensores
(4) Muros divisorios entre unidades (hasta la cubierta)
(5) Elementos soportantes verticales
(6) Muros no soportantes y tabiques
Elementos verticales y horizontales
(7) Escaleras
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Elementos Horizontales
(8) Elementos soportantes horizontales
(9) Techumbre incluido cielo falso
Para el caso de los muros que dan al exterior de la vivienda en estudio se
considera en la categoriacutea (5) y seguacuten la clasificacioacuten obtenida de la tabla 35 (d)
se tiene un grado de resistencia al fuego F-30
Para cumplir con esta exigencia se utiliza una solucioacuten del cataacutelogo de
soluciones constructivas del MINVU la cual se presenta a continuacioacuten
Tabla 36 Tabique perimetral estructura madera en vivienda en estudio
A233014 Tabique Estructura Madera Volcanita 15 mm RF Placa
OSB 9 mm Siding Volcan 6 mm Aislanglas R122 50 mm
Elemento estaacute formado por una estructura de madera hecha con listones de pino
radiata de 2rdquo x 3rdquo en bruto Consta de 5 pie-derechos distanciados entre ejes
cada 06 m dos cadenetas distanciadas entre ejes cada 08 m una solera inferior
y otra superior Esta estructuracioacuten esta forrada por una de sus caras con una
plancha de yeso-cartoacuten ldquoVolcanita RFrdquo de 15 mm de espesor La otra cara esta
forrada con una placa de madera OSB de 9 mm de espesor y como terminacioacuten
en esta cara lleva unas fajas horizontales de fibrocemento ldquoSiding Volcanrdquo tipo
tinglado de 190 mm de ancho y 6 mm de espesor Todo el conjunto esta
atornillado a la estructura de madera Esta conformacioacuten deja espacios libres en
el interior del panel estaacuten rellenos con una manta de lana de vidrio tipo rollo libre
R122 de 50 mm de espesor de densidad media aparente de 14 kgm3 Las
dimensiones para el ensayo fue 22 de ancho x 24 de alto y 105 mm de espesor
INSTITUCION Ndeg Informe Lab Fecha Resistencia Inscripcioacuten
Volcaacuten SA 374721 IDIEM 26-06-96 F-30 2015
Fuente (MINVU Soluciones constructivas acreditadas al fuego teacutermico y
acuacutestico 2020)
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Otra de las exigencias por parte de la OGUC es el cumplimiento de la
reglamentacioacuten teacutermica mostrado en la tabla 32 para esto se compara las
transmitancias teacutermicas exigidas con las envolventes de los elementos
constructivos de la vivienda en estudio Para el caso del muro donde se
incorporaraacute el PCM se seleccionoacute de acuerdo al listado de soluciones
constructivas del MINVU para validar la resistencia al fuego En la figura 313 se
visualiza las componentes de la envolvente del muro con PCM
Figura 313 Sistema Constructivo Muro exterior con PCM en vivienda estudio
Fuente Elaboracioacuten Propia
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
CAPITULO IV RESULTADOS Y DISCUSIOacuteN
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
En este segmento se evaluoacute el comportamiento energeacutetico de los
materiales cambio fase mediante el software Energy Plus Los materiales cambio
fase se produce dentro de placas de macro encapsulacioacuten de aluminio al interior
de los muros exteriores
Por lo tanto se observoacute el aporte energeacutetico de los materiales cambio fase
en un sistema activo de calefaccioacuten optimizando los sistemas constructivos en
la vivienda en estudio y dar respuesta a su aplicacioacuten en acondicionamiento
ambiental
41 Comportamiento Energeacuteticos de los materiales cambio fase
A continuacioacuten se comparoacute el comportamiento energeacutetico de dos sistemas
de climatizacioacuten con el aporte energeacutetico pasivo de los distintos materiales
cambio fase en una vivienda en estudio
411 Rendimiento energeacutetico de calefaccioacuten con y sin PCM
Para evaluar el comportamiento energeacutetico se definioacute la temperatura de
fusioacuten de los PCM en el rango de 18 a 22degC el aporte energeacutetico de los PCM
ayudo a mantener constante la temperatura confort de 21degC en la vivienda y
reducir los consumos energeacuteticos del sistema activo para este estudio se
escogioacute dos sistemas de climatizacioacuten caso 1 calefaccioacuten a lentildea con un η=07 y
caso 2 Climatizacioacuten por bomba de calor η=27 esta seleccioacuten se debe a que el
sistema de calefaccioacuten a lentildea es el maacutes usado en la zona genera una alta
contaminacioacuten ambiental por su combustioacuten en material particulado es el
combustible maacutes econoacutemico por unidad de energiacutea y su inversioacuten es accesible
en cambio los equipos de bomba calor tienen un mayor rendimiento energeacutetico
tiene menos impacto al medio ambiente y su inversioacuten es costosa
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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La figura 41 (a) muestra las potencias maacuteximas de disentildeo en
climatizacioacuten comparando la liacutenea base con la implementacioacuten de materiales
PCM en vivienda en estudio ubicado en Concepcioacuten Chile A traveacutes de este
anaacutelisis se identificoacute una disminucioacuten en su potencia de disentildeo de 319 (de
263 kW a un 179 kW) con respecto al caso base
Figura 41 (a) Potencia maacutexima disentildeo con y sin PCM en vivienda estudio
Fuente Elaboracioacuten Propia
En la figura 41 (b) y (c) se realizoacute la comparacioacuten de distintos tipos de
materiales PCM con un rango de temperatura de fusioacuten entre 18 degC a 22degC para
determinar cuaacutel es maacutes eficiente en funcioacuten de las variables de disentildeo
emplazamientos y propiedades teacutermicas
Para el primer caso se evaluoacute el sistema de calefaccioacuten a lentildea y el rol
clave de estos materiales PCM es reducir el consumo energeacutetico y el kgCO2
generado por la combustioacuten En los resultados se visualizoacute que el material cambio
fase optimo corresponde al PCM 22HC arrojando una reduccioacuten del consumo
energeacutetico de 341 (de 3694 kWh a un 2434 kWh) en comparacioacuten al caso base
CocinaDormitorioSecundario
DormitorioPrimario
Living-Comedor
Bantildeo
Sin PCM 03 037 047 129 02
Con PCM 017 027 033 087 015
0
02
04
06
08
1
12
14
Dem
ada
En
erge
tica
(k
W)
Potencia Maxima de Disentildeo
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
Para el segundo caso se evaluoacute un sistema de bomba de calor multisplit
al igual que en el caso anterior el material optimo corresponde al PCM 22HC se
observoacute una disminucioacuten de consumo energeacutetico de un 344 (de 688 kWh a un
451 kWh) en comparacioacuten al caso base
Para ambos casos se observoacute una notable reduccioacuten de los consumos
energeacuteticos en estacioacuten friacutea
Figura 41 (b) Caso 1 - Consumo energeacutetico en calefaccioacuten Lentildea con y sin
PCM en vivienda estudio
Fuente Elaboracioacuten Propia
Ene Feb Mar Abr May Jun Jul Ago Sept Oct Nov Dic
Sin PCM 75 79 138 267 477 604 626 498 408 271 147 104
PCM 18 37 34 73 188 424 579 602 440 347 185 85 60
PCM 21 31 27 64 167 397 547 570 405 313 161 71 53
PCM 22 13 11 39 138 354 506 528 357 275 130 49 34
0
200
400
600
800
1000
Co
nsu
mo
Co
mb
ust
ible
(k
Wh
)
Consumo Combustible Lentildea Mensual
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Figura 41 (c) Caso 2 - Consumo energeacutetico Bomba de calor con y sin PCM en
vivienda estudio
Fuente Elaboracioacuten Propia
Se identificoacute que la temperatura de fusioacuten maacutes baja de los PCM no es
viable en la optimizacioacuten del sistema pasivo en climatizacioacuten podriacutea ser explicado
por las variables temperatura exteriores dependiendo de las condiciones
climaacuteticas por su emplazamiento Por ejemplo de acuerdo con las cargas
maacuteximas de calefaccioacuten se debe a que la energiacutea en invierno aumento
estableciendo las temperaturas de confort teacutermico esta es una variable de
seleccioacuten del PCM que serviraacute para optimizar el disentildeo en funcioacuten del confort
teacutermico disminuyendo demanda energeacutetica perdidas caloriacuteficas y consumos
energeacuteticos de sistemas de calefaccioacuten activos
Seguacuten el estado de arte otro punto importante a comentar es tener en
cuenta que las curvas de entalpia y temperatura tanto para refrigeracioacuten y
calefaccioacuten deben ser lo maacutes cercana posible de lo contrario se produciriacutea una
Ene Feb Mar Abr May Jun Jul Ago Sept Oct Nov Dic
Sin PCM 14 15 26 50 89 112 116 92 78 50 27 19
PCM 18 7 6 14 35 79 107 112 82 64 34 16 11
PCM 21 57 5 12 31 74 101 106 75 58 30 13 10
PCM 22 23 2 72 256 66 936 976 662 511 24 9 63
0
20
40
60
80
100
120
Co
nsu
mo
Co
mb
ust
ible
(k
Wh
)Consumo Combustible Bomba de calor Mensual
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histeacuteresis o sub enfriamiento y afectariacutea considerablemente el rendimiento del
PCM en su aplicacioacuten
Para la implementacioacuten de sistemas activos sustentables en climatizacioacuten
se demuestra en el estudio que el aporte energeacutetico de los PCM es mantener la
temperatura constante dentro de los espacios interiores y ayudan tambieacuten a bajar
considerablemente los consumos energeacuteticos y es un aporte al medio ambiente
Para sistemas pasivos la eficiencia en los PCM en los muros exteriores
podriacutea incrementarse sugiriendo que haya acristalamiento a base de muros
cortina durante el diacutea lleva al PCM al proceso de cambio de fase de manera
estable en el tiempo debido a su almacenamiento teacutermico (F Ascione RF De
Masi F de Rossi S Ruggiero amp GP Vanoli 2016)
Ademaacutes la disminucioacuten de un 319 en potencia maacutexima de disentildeo para
equipos de climatizacioacuten arrojado en este estudio y un promedio de 33 en
reduccioacuten en consumo energeacutetico en los dos casos de climatizacioacuten propuestos
se puede inferir que los materiales cambio fase es capaz de contribuir a eficiencia
energeacutetica
412 Inversioacuten inicial y costos operativos en sistemas de calefaccioacuten con y sin PCM
Se hizo un anaacutelisis de los principales costos asociados a la adquisicioacuten de
los equipos y operacioacuten de eacutestos No se consideraraacute valor residual o de
salvamiento Para poder comparar la vida uacutetil a usar seraacute de 10 antildeos
Al obtener los valores de consumos energeacuteticos en las simulaciones de
los casos propuestos se visualiza una aproximacioacuten en demostrar el beneficio
econoacutemico que aporta los PCM a los sistemas activos Vease en figura 42
En el caso 1 sistema de calefaccioacuten a lentildea se observoacute una disminucioacuten
en los costos de operacioacuten anual de un 341 (de $88656 a un $58416)
($ 24 por kWh) (BES 2017) y en el caso 2 sistema de climatizacioacuten por bomba
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
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calor se observoacute una disminucioacuten en los costos de operacioacuten anual de un 344
(de $72928 a un $47795) ($ 106 por kWh) (BES 2017)
Figura 42 Inversioacuten inicial y costos operativos sistema climatizacioacuten con y sin
PCM en vivienda estudio
Fuente Elaboracioacuten Propia
42 Propuesta de aplicacioacuten PCM a caso base como sistema de actualizacioacuten
Seguacuten los resultados del comportamiento energeacutetico de la vivienda en
estudio con y sin PCM Se identificoacute un enfoque diferente e innovador para
sistemas pasivos de acondicionamiento ambiental o el aporte energeacutetico
significativo de los PCM a los sistemas activos para mantener su temperatura
constante en su operacioacuten
Una correcta ubicacioacuten del PCM a los muros exteriores de una vivienda en
estudio mostro significativamente un ahorro de energiacutea con respecto al caso
base esto se debe a la colocacioacuten del PCM en la particioacuten interna en los muros
exteriores emplazamiento de la vivienda tipo de encapsulacioacuten y orientacioacuten de
los muros con respecto al sol
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
Sin PCM PCM 22HC Inversion
Mil
es d
e p
eso
sInversion inicial y costos operativos en sistema
climatizacion
Caso 1 Sistema Calefaccion Lentildea Caso 2 Sistemas Bomba de Calor
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
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Diego Sarabia Meacutendez
El tipo de encapsulacioacuten de acuerdo al panel constructivo mostro que debe
ser macro encapsulacioacuten con materialidad de aluminio para aumentar la
conductividad teacutermica de los materiales cambio fase que era una de sus
desventajas teacutecnicas
A traveacutes de este anaacutelisis se identificoacute que material de cambio de fase se
debe seleccionar de acuerdo a la aplicacioacuten pasiva en vivienda en estudio
considerando variables de seleccioacuten como cineacuteticas fiacutesicas quiacutemicas teacutermicas
y econoacutemicas
Finalmente se observoacute que es posible maximizar la eficiencia de la
energiacutea en mantener la temperatura constante en los espacios interiores con el
aporte energeacutetico de los sistemas pasivos cuando se usa materiales cambio fase
en los muros exteriores de la vivienda en estudio Ademaacutes el PCM con
temperatura de fusioacuten cercana a la temperatura confort logra un mayor
rendimiento energeacutetico seguacuten su emplazamiento y reduce considerablemente los
costos de operacioacuten de un sistema climatizacioacuten activo aportaacutendole energiacutea
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
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CONCLUSIONES
El trabajo reciente propone un anaacutelisis de optimizacioacuten del PCM a una
vivienda en estudio como una aplicacioacuten de actualizacioacuten a sistemas pasivos y
se evaluoacute el comportamiento energeacutetico de dos sistemas activos de climatizacioacuten
mediante el uso del software EnergyPlus
En este estudio se describe la seleccioacuten de materiales de cambio fase a
utilizar la encapsulacioacuten adecuada en base a la aplicacioacuten y propiedades de
disentildeo
En el anaacutelisis del comportamiento energeacutetico de la vivienda en estudio se
observoacute que el PCM adecuado seguacuten la temperatura de fusioacuten estaacute en el rango
de 18 a 22 degC cercano a la temperatura de confort teacutermico Para este estudio se
escogioacute el PCM 22HC ya que su comportamiento es ideal para la vivienda en
estudio arrojando un 319 (de 263 kW a un 179 kW) de reduccioacuten de
potencias maacuteximas de disentildeo en climatizacioacuten De acuerdo al PCM escogido se
analizoacute el comportamiento del consumo energeacutetico en dos sistemas de
climatizacioacuten Caso 1 Sistema calefaccioacuten a lentildea mostro una reduccioacuten del
consumo energeacutetico de 341 (de 3694 kWh a un 2434 kWh) Para el segundo
caso se evaluoacute un sistema de bomba de calor multisplit al igual que en el caso
anterior el material optimo corresponde al PCM 22HC se observa una
disminucioacuten de consumo energeacutetico de un 344 (de 688 kWh a un 451 kWh) en
comparacioacuten al caso base lo que implica una notable reduccioacuten de los consumos
energeacuteticos en la estacioacuten friacutea Ademaacutes junto con los valores de consumo
energeacutetico se evaluoacute los costos de operacioacuten anual arrojando una disminucioacuten
promedio de 34 debido al aporte de los PCM
En general estos resultados sostienen firmemente que es posible mejorar
la eficiencia del ahorro energeacutetico cuando los PCM se instala en los muros
exteriores maximizando los ahorros energeacuteticos Por lo tanto para lograr la
optimizacioacuten de la envolvente de la vivienda con aplicacioacuten PCM la temperatura
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
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de fusioacuten fue de 22 deg C y el macro encapsulamiento es de material de aluminio
mejorando su transmitancia teacutermica del flujo de calor en los paneles
constructivos dando como resultado una adecuada actualizacioacuten a la aplicacioacuten
y a la instalacioacuten de los PCM a la vivienda en estudio ubicada en Concepcioacuten
Chile
Los costos de implementacioacuten en la tecnologiacutea pasiva como los PCM tiene
un elevado valor debido al costo del transporte (Alemania) se podriacutea justificar
encargando por mayor estos insumos y aplicarlo a un lote de viviendas
Es importante aplicar el PCM optimizado considerando el enfoque y
variables de disentildeo como la condicioacuten climaacutetica temperatura de fusioacuten de PCM
encapsulamiento y irradiacioacuten solar
La implementacioacuten de esta tecnologiacutea demuestra que aporta en la
reduccioacuten de material particulado en zonas criacuteticas en contaminacioacuten y las
emisiones de CO2 aportando al medio ambiente
Se deberaacute tener en cuenta que las curvas de entalpia y temperatura de los
PCM tanto para refrigeracioacuten y calefaccioacuten deben ser lo maacutes cercana posible de
lo contrario se produciriacutea una histeacuteresis o subenfriamiento y afectariacutea
considerablemente el rendimiento del PCM en su aplicacioacuten
Como investigacioacuten adicional queda por explorar la optimizacioacuten de PCM
aplicado a paredes exteriores con persianas de acristalamiento o invernaderos
adosados al poseer mayor captacioacuten de energiacutea solar tendraacute un mayor
almacenamiento energeacutetico y retraso teacutermico en los muros aplicado con PCM y
obtener una segmentacioacuten de los datos climaacuteticos por zonas para investigar el
comportamiento energeacutetico en aplicaciones pasivas
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1
Diego Sarabia Meacutendez
AGRADECIMIENTOS
En primer lugar quisiera agradecer al Sr Adelqui Fissore Schiappacasse
y Sra Blanco Machin Einara la oportunidad que me han brindado para realizar
este proyecto y aprender de eacutel y al Director programa magister Sr Cristian Molina
Vicuntildea quien me dio la oportunidad de ingresar y apoyarme en el programa de
Magister del Departamento de Ingenieriacutea Mecaacutenica
A mis padres Sr Marcos Sarabia y Sra Olga Meacutendez por todo lo que me
han tenido que sostener durante estos antildeos de carrera porque han sabido
orientarme y sus consejos siempre me han ayudado los amo
Y a miacute polola Srta Estefaniacutea Cisternas por tu apoyo y tu paciencia han
sido muy importantes para miacute
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
2
Diego Sarabia Meacutendez
RESUMEN
Los materiales de cambio de fase (PCM) juegan un papel importante en la
reduccioacuten del consumo energeacutetico en el sector de la construccioacuten Se consideran
prometedores para almacenar y descargar energiacutea teacutermica Usando el software
Energy Plus se evaluoacute el comportamiento teacutermico de dos sistemas de
climatizacioacuten en una vivienda de estudio aplicando materiales de cambio de fase
a las paredes exteriores
Se observoacute que la temperatura de fusioacuten de 22 degC cercana a la
temperatura de confort teacutermico es la maacutes oacuteptima esto ayudo a mejorar el
rendimiento del material PCM evitando la histeacuteresis o sub-enfriamiento
Ademaacutes se configuroacute el sistema constructivo del muro exterior con
respecto a la ubicacioacuten del PCM en la envolvente interior Tambieacuten el disentildeo de
la solucioacuten de construccioacuten con PCM estaacute optimizado en relacioacuten con los datos
de zonificacioacuten y soluciones constructivas del MINVU Para este estudio se
escogioacute el PCM 22HC ya que su comportamiento es ideal para la vivienda en
estudio arrojando un 319 (de 263 kW a un 179 kW) de reduccioacuten de
potencias maacuteximas de disentildeo en climatizacioacuten De acuerdo al PCM escogido se
analizoacute el comportamiento del consumo energeacutetico en dos sistemas de
climatizacioacuten Caso 1 Sistema calefaccioacuten a lentildea mostro una reduccioacuten del
consumo energeacutetico de 341 (de 3694 kWh a un 2434 kWh) Para el segundo
caso se evaluoacute un sistema de bomba de calor multisplit al igual que en el caso
anterior el material optimo corresponde al PCM 22HC se observa una
disminucioacuten de consumo energeacutetico de un 344 (de 688 kWh a un 451 kWh) en
comparacioacuten al caso base lo que implica una notable reduccioacuten de los consumos
energeacuteticos en la estacioacuten friacutea Ademaacutes junto con los valores de consumo
energeacutetico se evaluoacute los costos de operacioacuten anual arrojando una disminucioacuten
promedio de 34 debido al aporte de los PCM
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
Estos datos demostraron una reduccioacuten significativa en energiacutea y
contribuyen a la eficiencia energeacutetica Se puede inferir que los PCM aportan
significativamente al medio ambiente en liberar menos cantidad de material
particulado reducir el consumo de combustibles foacutesiles y disminuir el CO2
liberado a la atmosfera
Palabras clave Materiales de cambio de fase Sustentabilidad
Construccioacuten de simulacioacuten teacutermica Eficiencia energeacutetica Vivienda de alta
inercia teacutermica
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
ABSTRACT
Phase change materials (PCM) play an essential role in reducing energy
consumption in the construction sector They are considered promising for storing
and discharging thermal energy Using the Energy Plus software the thermal
behavior of two air conditioning systems in a study home was evaluated by
applying phase change materials to the exterior walls
It was observed that the melting temperature of 22 deg C close to the thermal
comfort temperature is the most optimal this helped to improve the performance
of the PCM material avoiding hysteresis or sub-cooling
Besides the construction system of the exterior wall was configured
concerning the location of the PCM in the interior envelope Also the design of
the construction solution with PCM is optimized in relation to the zoning data and
construction solutions of the MINVU For this study the PCM 22HC was chosen
as its behavior is ideal for the dwelling under study yielding a 319 (from 263
kW to 179 kW) reduction in maximum design powers in air conditioning
According to the chosen PCM the behavior of energy consumption in two air
conditioning systems was analyzed Case 1 Wood heating system showed a
reduction in energy consumption of 341 (from 3694 kWh to 2434 kWh) For the
second case a multisplit heat pump system was evaluated as in the previous
case the optimal material corresponds to the PCM 22HC a decrease in energy
consumption of 344 (from 688 kWh to 451 kWh kWh) compared to the base
case which implies a notable reduction in energy consumption in the cold season
Besides together with the energy consumption values the annual operating costs
were evaluated yielding an average decrease of 34 due to the contribution of
the PCM
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
These data demonstrated a significant reduction in energy and contribute
to energy efficiency It can be inferred that PCM contributes significantly to the
environment in releasing less particulate matter reducing the consumption of
fossil fuels and reducing the CO2 released into the atmosphere
Key words Phase change materials Sustainability Thermal simulation
construction Energy efficiency High thermal inertia housing
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
IacuteNDICE DE CONTENIDOS
AGRADECIMIENTOS 1
RESUMEN 2
ABSTRACT 4
IacuteNDICE DE CONTENIDOS 6
INDICE DE FIGURAS 9
INDICE DE TABLAS 11
INTRODUCCION 12
CAPITULO I ENUNCIADO DE LA INVESTIGACIOacuteN 15
11 Planteamiento del problema 16
12 Preguntas de investigacioacuten 19
13 Hipoacutetesis 19
14 Objetivos 20
142 Objetivos especiacuteficos 20
CAPITULO II MARCO TEOacuteRICO 21
21 Marco Teoacuterico 22
22 Materiales con cambio de fase (PCM) 22
221 Funcionamiento 23
222 Propiedades 24
223 Almacenamiento de energiacutea teacutermica 25
224 Clasificacioacuten 26
2241 PCM inorgaacutenicos sales hidratadas 27
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
2242 PCM orgaacutenicos parafinas aacutecidos grasos y mezclas orgaacutenicas 29
22421 Parafinas 31
22422 Aacutecidos Grasos 31
22423 Mezclas euteacutecticas 32
23 Criterios de seleccioacuten de los Materiales con Cambio se Fase 33
24 Vida uacutetil del material cambio fase 34
25 Aplicacioacuten en la construccioacuten 35
26 Encapsulacioacuten 37
261 Microcaacutepsulas 38
262 Macrocaacutepsulas 39
CAPITULO III MEacuteTODOS Y METODOLOGIacuteA 40
31 Herramienta de simulacioacuten de energiacutea 41
32 Descripcioacuten Vivienda en estudio 43
321 Meacutetodo de zona en software EnergyPlus 46
33 Datos meteoroloacutegicos 47
34 Jornadas de ocupacioacuten 48
35 Configuracioacuten envolvente por elemento y sistemas de climatizacioacuten 49
36 Caracterizacioacuten PCM 51
361 Seleccioacuten de Materiales Cambio Fase 52
362 Configuracioacuten del PCM en EnergyPlus 54
363 Cotizacioacuten PCM RT21 55
37 Caracterizacioacuten Macro encapsulacioacuten 56
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
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371 Cotizacioacuten Macro encapsulacioacuten 56
38 Validacioacuten muro constructivo con PCM 57
381 Cumplimiento de la OGUC y Resistencia al fuego 58
CAPITULO IV RESULTADOS Y DISCUSIOacuteN 62
41 Comportamiento Energeacuteticos de los materiales cambio fase 63
411 Rendimiento energeacutetico de calefaccioacuten con y sin PCM 63
412 Inversioacuten inicial y costos operativos en sistemas de calefaccioacuten con y
sin PCM 67
42 Propuesta de aplicacioacuten PCM a caso base como sistema de
actualizacioacuten 68
CONCLUSIONES 70
REFERENCIAS 72
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
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Diego Sarabia Meacutendez
INDICE DE FIGURAS
Figura 21 Diagrama de proceso de cambio de fase Hielo ndash Vapor 23
Figura 22 Clasificacioacuten de los Materiales Cambio Fase 26
Figura 23 Estabilizacioacuten de la temperatura interior de un edificio por el efecto
de la inercia teacutermica 36
Figura 24 Espesor requerido de distintos materiales Vs Energiacutea termina 36
Figura 25 Microcaacutepsulas 38
Figura 26 Caacutepsulas de macro PCM (Contenedor plano Esfera Placas de
barra doble) 40
Figura 31 Descripcioacuten Vivienda en estudio 44
Figura 32 Modelo de zona en casa de estudio 46
Figura 33 Zona y sub-superficie de vivienda en estudio 47
Figura 34 Configuracioacuten datos meteoroloacutegico 48
Figura 35 Planilla de uso horario de un recinto 49
Figura 36 Planilla configuracioacuten envolvente por elemento 50
Figura 37 Planilla configuracioacuten rango de temperatura confort teacutermico 51
Figura 38 Planilla configuracioacuten del tipo de sistema de climatizacioacuten 51
Figura 39 Configuracioacuten del PCM en el software 54
Figura 310 Cotizacioacuten del material RT21 55
Figura 311 Modulo Almacenamiento Macro encapsulacioacuten 56
Figura 312 Cotizacioacuten Macro encapsulacioacuten 57
Figura 313 Sistema Constructivo Muro exterior con PCM en vivienda estudio
61
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Diego Sarabia Meacutendez
Figura 41 (a) Potencia maacutexima disentildeo con y sin PCM en vivienda estudio 64
Figura 41 (b) Caso 1 - Consumo energeacutetico en calefaccioacuten Lentildea con y sin
PCM en vivienda estudio 65
Figura 41 (c) Caso 2 - Consumo energeacutetico Bomba de calor con y sin PCM
en vivienda estudio 66
Figura 42 Inversioacuten inicial y costos operativos sistema climatizacioacuten con y sin
PCM en vivienda estudio 68
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
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Diego Sarabia Meacutendez
INDICE DE TABLAS
Tabla 21 Ventajas e inconvenientes de los PCM inorgaacutenicos 28
Tabla 22 Temperatura de fusioacuten de algunas sales hidratadas 29
Tabla 23 Ventajas e inconvenientes de los PCM orgaacutenicos 30
Tabla 24 Temperatura de fusioacuten de algunas parafinas 31
Tabla 25 Temperatura de fusioacuten de algunos aacutecidos grasos 32
Tabla 26 Clasificacioacuten de los PCMs 32
Tabla 27 Ventajas e inconvenientes de las microcapsulas 38
Tabla 28 Ventajas e inconvenientes de las Macrocaacutepsulas 39
Tabla 31 Resumen superficies de los distintos espacios vivienda en estudio
44
Tabla 32 Cumplimiento de la envolvente elementos constructivos de la
vivienda en estudio 44
Tabla 33 Especificaciones teacutecnicas de PCM a utilizar 52
Tabla 34 Clasificacioacuten de los edificios seguacuten su destino superficie edificada y
nuacutemero de pisos 58
Tabla 35 Resistencia al fuego para diferentes elementos de construccioacuten 59
Tabla 36 Tabique perimetral estructura madera en vivienda en estudio 60
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
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Diego Sarabia Meacutendez
INTRODUCCION
Debido al avance de la ciencia y la tecnologiacutea la calidad de vida y los
sistemas de produccioacuten en la industria han mejorado lo que ha aumentado el
consumo mundial de energiacutea en paiacuteses industrializados y las economiacuteas
emergentes Este aumento en el consumo de energiacutea tiene efectos nocivos sobre
el medio ambiente como el aumento de las emisiones de gases a la atmoacutesfera
entre otros Por lo tanto los paiacuteses estaacuten promoviendo cada vez maacutes nuevas
poliacuteticas energeacuteticas y promoviendo dos tipos de acciones para reducir las
emisiones entre otras aumentar la proporcioacuten de energiacutea renovable y promover
medidas de ahorro y eficiencia energeacutetica Debido a las crecientes
preocupaciones sobre el consumo de energiacutea se necesita urgentemente maacutes
investigacioacuten
Entre las medidas de eficiencia energeacutetica surge la necesidad de estudiar
el uso de energiacutea solar a traveacutes de la aplicacioacuten de materiales de cambio de fase
(PCM seguacuten sus siglas en ingleacutes Phase Change Materials) Estudios recientes
sobre materiales de cambio de fase han demostrado que hay varios aspectos
para mejorar en la aplicacioacuten y caracterizacioacuten de estos materiales (Anisur
2013)
Actualmente el sector de la construccioacuten contribuye considerablemente al
consumo total de energiacutea y las emisiones de gases de efecto invernadero a la
atmoacutesfera Los edificios consumen maacutes del 40 de la energiacutea primaria del
mundo que es responsable del 30 de las emisiones de gases de efecto
invernadero (Thorpe 2011)
A nivel local el sector residencial es responsable de las altas demandas
energeacuteticas equivalente a 23 del consumo energeacutetico nivel paiacutes Del parque
habitacional existente en Chile 75 fue construido sin consideraciones teacutermicas
y de eficiencia energeacutetica dicha situacioacuten provoca que el usuario asuma el costo
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
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Diego Sarabia Meacutendez
del consumo energeacutetico en calefaccioacuten y refrigeracioacuten para mantener la vivienda
en zona confort (Wegertseder 2015)
Tradicionalmente el consumo de energiacutea se reduce mediante el uso de
aislamiento teacutermico de alta calidad en la envolvente de un edificio para reducir la
transferencia de calor entre el interior y exterior (Zhou D Tian Y Qu Y amp
Chen Y K 2016) Un aumento en la eficiencia de los sistemas de calefaccioacuten
ventilacioacuten y aire acondicionado (HVAC) tambieacuten ha sido responsable de una
reduccioacuten en el consumo de energiacutea sin embargo las mejoras en la eficiencia
energeacutetica no deben limitarse a estos enfoques
Un estudio de investigacioacuten describioacute que el aumento de la inercia teacutermica
del edificio reduce la cantidad de energiacutea utilizada para calefaccioacuten y refrigeracioacuten
(Ling H Chen C Qin H Wei S Lin J Li N) ya que reduce las
fluctuaciones en la temperatura interior ayudando a mantener el espacio interno
dentro del rango de confort teacutermico y reduciendo la necesidad de utilizar sistemas
de aire acondicionado
El almacenamiento de energiacutea se puede implementar mediante calor
sensible aumentando y disminuyendo la temperatura de los recubrimientos de
edificios o mediante calor latente Con la inclusioacuten de materiales de cambio de
fase conduce a una mayor densidad de energiacutea teacutermica Los materiales de
cambio de fase estaacuten asociados con el almacenamiento de calor latente (LHS)
con su principal ventaja de tener una alta densidad de almacenamiento a
temperatura constante Por lo tanto los materiales de cambio de fase han
demostrado que su almacenamiento de energiacutea teacutermica latente se puede utilizar
para calentar y enfriar a sistemas de construccioacuten pasivos o activos (B Zalba J
Marin L Cabeza y H Mehling 2003)
Investigaciones maacutes recientes han estudiado sus propiedades fiacutesicas
quiacutemicas cineacuteticas y especialmente teacutermicas para seleccionar el material de
cambio de fase maacutes adecuado para la presente investigacioacuten (Ramiacuterez A
Santos A amp Gonzaacutelez N 2012)
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
El intereacutes sostenido en comprender la importancia de los materiales de
cambio fase llevoacute a investigar el disentildeo del elemento constructivo con los PCM
incorporados para reducir la demanda energeacutetica de la vivienda en estudio y
contribuir a mejoras de condiciones de habitualidad Aquiacute se utilizoacute la
herramienta simulacioacuten Energy Plus para evaluar el rendimiento teacutermico de una
vivienda en estudio ubicada en la ciudad de Concepcioacuten de la regioacuten del Biacuteo-Biacuteo
Chile
En este estudio se demostroacute que es posible maximizar la eficiencia del
ahorro de energiacutea en sistemas activos de climatizacioacuten al optimizar el PCM
aplicado a las paredes exteriores Se identificoacute que los materiales de cambio de
fase son una contribucioacuten a la implementacioacuten del acondicionamiento pasivo
debido a su gran almacenamiento energeacutetico
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
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CAPITULO I ENUNCIADO DE LA INVESTIGACIOacuteN
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
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Diego Sarabia Meacutendez
11 Planteamiento del problema
En la actualidad las necesidades energeacuteticas a nivel mundial han
aumentado de manera significativa por distintas razones Hoy en diacutea los edificios
consumen maacutes del 40 de la energiacutea primaria del mundo que son responsables
del 30 de las emisiones de gases de efecto invernadero (Thorpe 2011)
A nivel local el sector residencial es responsable de las altas demandas
energeacuteticas equivalente a 23 del consumo energeacutetico nivel paiacutes Del parque
habitacional existente en Chile 75 fue construido sin consideraciones teacutermicas
y de eficiencia energeacutetica dicha situacioacuten provoca que el usuario asuma el costo
del consumo energeacutetico para mantener la vivienda en zona confort (Wegertseder
2015)
Se estima que el sector de la construccioacuten es el responsable de generar
el 33 del total de emisiones de gases de efecto invernadero (MINVU 2018)
A traveacutes de un estudio realizado el antildeo 2019 por la Caacutemara Chilena de
la Construccioacuten sobre los usos de la energiacutea en el sector residencial declara que
el 53 del consumo total de la vivienda chilena es destinado a calefaccioacuten (CDT
2019)
Una forma eficiente de reducir el consumo de energiacutea para calefaccioacuten o
refrigeracioacuten en los espacios es aumentar la inercia teacutermica de un edificio De
esta manera las temperaturas interiores son menos sensibles a las variaciones
de la temperatura exterior y se requiere menos energiacutea para mantenerlas en el
rango de confort teacutermico Un edificio con una estructura de marco de concreto
tendraacute una mayor inercia teacutermica que un edificio con una estructura de marco de
acero o madera (Soares N Costa J J Gaspar A R amp Santos P 2013) Una
forma de aumentar la inercia teacutermica de un edificio es utilizar el almacenamiento
de calor latente (LHS) que es la energiacutea que almacena un material cuando sufre
un cambio de fase (Akeiber H Nejat P Majid M Z A Wahid M A
Jomehzadeh F Zeynali Famileh IZaki S A 2016)
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
El material de cambio de fase (PCM) es un tipo de material que
experimenta un cambio de fase en este caso de liacutequido a soacutelido a una
temperatura dentro del rango de confort teacutermico Este tipo de material tiene la
capacidad de almacenar grandes cantidades de energiacutea en comparacioacuten con los
materiales de construccioacuten tradicionales que solo almacenan calor sensible Por
ejemplo una pared que contiene PCM con 25 mm de espesor almacena
aproximadamente la misma energiacutea que una pared de concreto con 420 mm de
espesor (Al-Saadi S N amp Zhai Z 2013) Los PCM tienen un gran potencial
para aumentar la inercia teacutermica de un edificio debido a su gran LHS por lo tanto
son especialmente uacutetiles en edificios de construccioacuten livianas en seco como
estructuras reticulares en madera o acero galvanizados (Marin P Saffari M de
Gracia A Zhu X Farid M M Cabeza L F amp Ushak S 2016) Esto permite
que el edificio tenga menor peso un aacuterea uacutetil mayor y auacuten mantenga una alta
inercia teacutermica
Cuando los PCM cambian su estado de liacutequido a soacutelido liberan calor
latente y cuando cambian de soacutelido a liacutequido absorben calor latente Cuando este
proceso ocurre a una temperatura entre 19-27 degC el material contribuye a
aumentar el confort teacutermico porque ayuda a mantener la temperatura interna
dentro de este rango Durante el diacutea cuando hay demasiadas ganancias de
radiacioacuten solar este material cambia su fase de soacutelido a liacutequido absorbiendo
calor y evitando un aumento significativo de la temperatura interior Por la noche
cuando la temperatura exterior baja el material cambia su fase de liacutequido a
soacutelido liberando calor y evitando una gran disipacioacuten de energiacutea en el interior de
la vivienda (Jamil H Alam M Sanjayan J amp Wilson J 2017)
Durante el verano puede ocurrir un sobrecalentamiento en el muro y
hacer que se use un PCM que se derrita a altas temperaturas (alrededor de
26 degC) ya que evitaraacute que la temperatura de una habitacioacuten elevaacutendose por
encima del rango de confort teacutermico Si el objetivo es la estabilizacioacuten de la
temperatura interior en la zona de confort un PCM que se derrita a 23 degC deberiacutea
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
ser la mejor opcioacuten En el invierno puede ser necesario evitar que la temperatura
de una habitacioacuten baje por debajo del rango de confort teacutermico y en este caso
se recomienda un PCM que solidifique alrededor de 21 degC (Soares N Gaspar
A R Santos P amp Costa J 2014)
Esta tecnologiacutea no solo tiene el potencial de ahorrar cantidades
considerables de energiacutea y emisiones de CO2 sino que tambieacuten se puede utilizar
para aprovechar los precios pico de electricidad utilizando las unidades de aire
acondicionado cuando hay una menor demanda en la red eleacutectrica Por ejemplo
en invierno la unidad de aire acondicionado (AC) podriacutea funcionar durante la
noche produciendo calor que seriacutea absorbido por el tablero PCM y luego liberado
por eacutel durante el diacutea cuando los precios de la electricidad son mucho maacutes altos
(Devaux P amp Farid M 2017) Esto tambieacuten como la ventaja de evitar el ruido y
las corrientes de aire causadas por las unidades de CA durante las horas de
trabajo de una oficina
Aunque esta tecnologiacutea tiene un gran potencial en almacenar energiacutea
con respecto a otros materiales existe el problema de la baja transferencia de
calor porque estos materiales generalmente tienen baja conductividad teacutermica lo
que hace que la absorcioacuten y liberacioacuten de calor por parte del PCM sea mucho
maacutes difiacutecil (Fan L amp Khodadadi J M 2011)
Para aprovechar la gran capacidad de almacenamiento de calor latente
la temperatura de una zona debe estar cerca de la temperatura de cambio de
fase de lo contrario un PCM solo almacena calor sensible que es insignificante
en comparacioacuten al calor latente (Chwieduk 2013)
Investigadores concluyen sobre acondicionamiento teacutermico en
envolventes de viviendas utilizando materiales de cambio de fase que la
implementacioacuten adecuada de los PCM en una edificacioacuten puede un 35 reducir
el consumo energeacutetico y por lo tanto es posible usar equipos de
acondicionamiento teacutermico de menor potencia e incluso prescindir de ellos (Bello
R E Muntildeoz M M Vasco C 2015)
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
En el desarrollo de aplicaciones para los PCM un investigador disentildeoacute un
muro con material de cambio de fase y para probar su funcionamiento utilizoacute dos
habitaciones ideacutenticas En la primera habitacioacuten los muros teniacutean un enlucido de
yeso normal y en la segunda habitacioacuten el muro poseiacutea una placa de yeso
revestido con micro encapsulacioacuten de PCM (50 butil estearato y 48 palmitato
de butilo) Resultoacute que la habitacioacuten con material cambio de fase una reduccioacuten
energeacutetica de 22 (Scalat S Banu D Hawes D Paris J Haghighata F
Feldman D 1996)
Los investigadores a nivel mundial han creado estrategias para
solucionar el consumo energeacutetico En Chile auacuten no se analiza en forma
sistemaacutetica considerando que seriacutea de gran ayuda para disminuir el consumo
energeacutetico residencial
Por todo lo anteriormente mencionado se establece que esta
investigacioacuten estaraacute orientada al estudio de materiales con cambio de fase
simulando su comportamiento teacutermico de una vivienda en estudio ubicada en la
ciudad de Concepcioacuten de la regioacuten del Biacuteo-Biacuteo utilizando el software Energy Plus
12 Preguntas de investigacioacuten
iquestEs posible disminuir la demanda energeacutetica de una vivienda en estudio
incorporando materiales con cambio de fase
iquestQueacute material PCM es conveniente utilizar en los muros de la vivienda en
estudio
iquestQueacute comportamiento tendraacuten los PCM en la simulacioacuten
13 Hipoacutetesis
Se puede mejorar la habitabilidad y reducir un 30 la demanda energeacutetica
de una vivienda en estudio en la ciudad de Concepcioacuten mejorando el
almacenamiento teacutermico de sus muros incorporando material con cambio de fase
(PCM)
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
14 Objetivos
141 Objetivo general
Proponer una metodologiacutea de evaluacioacuten en funcioacuten de la realidad local
que permitiraacute analizar la potencialidad en aplicar los materiales cambio de fase
en las construcciones chilenas contribuyendo a mejorar las condiciones de
habitabilidad
142 Objetivos especiacuteficos
Identificar materiales con cambio de fase (PCM) utilizados como estrategia
de calefaccioacuten pasiva en edificacioacuten Con la validacioacuten de todos los
reglamentos en Chile
Definir el sistema constructivo del muro exterior en cuanto a la ubicacioacuten
del PCM
Definir materiales con cambio de fase en relacioacuten de sus propiedades
teacutermicas para realizar simulacioacuten energeacutetica
Definir metodologiacutea de caacutelculo y estimar ahorros energeacuteticos para la zona
en funcioacuten del material base
Obtener simulaciones de demanda energeacutetica para la vivienda en estudio
con y sin materiales de cambio de fase incorporados en sus muros
mediante el software Energy Plus
Optimizar el disentildeo de la solucioacuten constructiva con PCM en relacioacuten a los
datos de la zonificacioacuten
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
CAPITULO II MARCO TEOacuteRICO
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
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Diego Sarabia Meacutendez
21 Marco Teoacuterico
A continuacioacuten se nombraraacute conceptos esenciales que aborda la
investigacioacuten tales como aislacioacuten teacutermica conductividad teacutermica confort
teacutermico y Inercia teacutermica
Cabe de destacar que la inercia teacutermica juega un papel importante en los
sistemas de calefaccioacuten pasiva ya que el retraso teacutermico puede ser mayor o
menor dependiendo el espesor y materialidad
La inercia teacutermica permite ir liberando el calor acumulado en los elementos
compuestos por materiales pesados en la vivienda de manera tal que durante
la noche cuando la temperatura desciende esta baja sea amortiguada por el calor
cedido
En el verano la envolvente se encuentra expuesta a la radiacioacuten solar y al
soleamiento por lo tanto debe ser capaz de almacenar el calor obtenido desde
el exterior y asiacute evitar que la temperatura en el interior del recinto sea elevada
durante el diacutea generando una peacuterdida de confort (CCHC 2010)
22 Materiales con cambio de fase (PCM)
Un PCM es una sustancia capaz de almacenar y liberar energiacutea del medio
que le rodea manteniendo la temperatura constante durante la transferencia de
calor Este intercambio de energiacutea se denomina calor latente de un material y se
produce durante el cambio de fase del mismo El intereacutes de estos materiales es
que durante el cambio de fase la temperatura media se mantiene constante
mientras el material absorbe o libera energiacutea durante la etapa de fusioacuten o
solidificacioacuten del material Esto supone una mayor densidad energeacutetica en este
proceso respecto a un intercambio por calor sensible
En una investigacioacuten sobre PCM afirma que estos mediante su calor
latente de fusioacuten almacenan de 5 a 14 veces maacutes calor por unidad de volumen
que materiales por almacenamiento de calor sensible como el agua albantildeileriacutea
o rocas entre otras (Sharma 2009)
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
Para la investigacioacuten se estudioacute materiales cambio fase de estado liacutequido-
solido ya que aunque la cantidad de energiacutea almacenada es inferior que entre
otros cambios de estado (solido-gas) la variacioacuten de volumen del estado es
menor
221 Funcionamiento
La mejor forma para explicar el funcionamiento de estos materiales es
estudiando el proceso de cambio de fase del agua en estado liacutequido el agua va
aumentando su temperatura progresivamente hasta alcanzar los 100degC Una vez
alcanza esta temperatura empieza su cambio de estado en el cual absorberaacute
calor pero mantendraacute una temperatura constante de 100degC hasta que finalice su
cambio de fase y todo el liacutequido se haya convertido en vapor De manera inversa
ocurre cuando la temperatura del agua disminuye hasta alcanzar los 0degC En este
caso el agua empezaraacute a liberar calor y durante este proceso mantendraacute su
temperatura constante en 0degC hasta que complete su solidificacioacuten y todo el
liacutequido se haya convertido en hielo (B Zalba J Marin L Cabeza y H Mehling
2003)
En la Figura 21 se observa coacutemo la temperatura se mantiene constante
en 0degC formando una recta horizontal durante su cambio de fase y posteriormente
en 100degC hasta que se convierte en vapor
Figura 21 Diagrama de proceso de cambio de fase Hielo ndash Vapor
Fuente (B Zalba J Marin L Cabeza y H Mehling 2003)
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
24
Diego Sarabia Meacutendez
Del mismo modo actuacutean los PCM cada uno tiene su propia temperatura
de cambio de fase y gracias a las variaciones de temperatura entre el diacutea y la
noche ocurren los ciclos de fusioacuten y solidificacioacuten de estos materiales resultando
en la absorcioacuten maacutexima de energiacutea durante el diacutea cuando las temperaturas
suben y la disipacioacuten de eacutesta en la noche cuando la temperatura ambiente baja
La energiacutea utilizada para cambiar el estado del material dado que la temperatura
de cambio de fase es aproximada a la temperatura ambiente de confort deseada
daraacute lugar a un clima interior maacutes estable y coacutemodo asiacute como tambieacuten reduciraacute
las cargas de enfriamiento y calefaccioacuten en horas pico especialmente en
aquellas edificaciones con baja masa teacutermica (S E Kalnaes and B P Jelle
2015)
222 Propiedades
A continuacioacuten se describiraacuten las propiedades maacutes relevantes que definen un
material de cambio de fase (Oroacute 2012)
a) Propiedades Termofisica
Temperatura de fusioacuten (Tf) en el rango de funcionamiento seguacuten la
aplicacioacuten
Alto calor latente de fusioacuten (ΔHf) por unidad de volumen
Alto calor especiacutefico para proporcionar calor sensible adicional
significativo
Alta conductividad teacutermica en fase soacutelida y liacutequida (buena transferencia de
calor)
Baja variacioacuten de volumen en el cambio de fase y baja presioacuten de vapor a
la temperatura de funcionamiento
Fusioacuten congruente del material de cambio de fase con cada ciclo de
solidificacioacutenfusioacuten con el miacutenimo sub-enfriamiento
Cambio de fase ciclo continuo con termino de vida uacutetil
Alta densidad
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
25
Diego Sarabia Meacutendez
b) Propiedades quiacutemicas
Ciclo de solidificacioacutenfusioacuten reversible y completo
Baja degradacioacuten despueacutes de un elevado nuacutemero de ciclos de
fusioacutensolidificacioacuten
No corrosivo para los materiales encapsulados
No toacutexico no inflamable y no explosivo
c) Econoacutemicas
Abundante y disponible
Rentable en relacioacuten al ahorro energeacutetico y costos del material
Faacutecil reciclaje y tratamiento quiacutemicos
223 Almacenamiento de energiacutea teacutermica
La necesidad de almacenamiento energeacutetico y de buscar formas de
acondicionamiento pasivo es lo que inspira a la investigacioacuten a centrarse en el
almacenamiento teacutermico Es fundamental para el desarrollo del paiacutes disminuir la
demanda energeacutetica sin sacrificar el confort (PRIEN 2002)
En esta seccioacuten de la investigacioacuten se daraacute a conocer las formas de
almacenamiento teacutermico existentes y dando eacutenfasis al almacenamiento
energeacutetico por calor latente donde pertenecen los materiales de cambio fase
(PCM)
El equilibrio termodinaacutemico de los PCM se debe principalmente a los
intercambios de calor con el entorno externo El tiempo para que el PCM alcance
el nuevo equilibrio termodinaacutemico es el tiempo necesario para que el calor sea
intercambiado con el espacio a climatizar Los paraacutemetros baacutesicos de los
materiales de cambio de fase incluyen seguacuten ecuacioacuten (1)
bull Capacidad caloriacutefica [J kg]
119876 = int 119862119901119904 119889119905 + 119862119898 + int 119862119901119897 119889119905 cong 119862119901119904(119879119898 minus 1198791) + 119862119898 + 1198792
119879119898
119879119898
1198791
119862119901119897(1198792 minus 1198791)
Ec 1
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
26
Diego Sarabia Meacutendez
Donde 119862119901119904 o 119862119901119897 Calor especiacutefico soacutelido y liacutequido kJ(kg times K) 119862119898 Calor
de transformacioacuten de fase (fusioacuten) kJ(kg times K) Tm - temperatura de transicioacuten
de fase (fusioacuten) T1 T2 rango de temperatura de funcionamiento de operacioacuten
224 Clasificacioacuten
Actualmente existe un gran nuacutemero de materiales cambio fase que han
sido investigados debido a que poseen una temperatura y un alto calor latente
de fusioacuten dentro del rango operacional deseado sin embargo exceptuando por
esta caracteriacutestica la mayoriacutea de estos materiales no satisfacen los otros
criterios necesarios para un medio de almacenamiento adecuado (Sharma
2009)
Aquellos que siacute responden a estas prestaciones y se encuentran disponibles en
el mercado pueden ser clasificados en tres grandes grupos orgaacutenicos
inorgaacutenicos y euteacutecticos (V Tyagi amp D Buddhi 2007)
Figura 22 Clasificacioacuten de los Materiales Cambio Fase
Fuente Elaboracioacuten Propia
Materiales Cambio Fase
Organico
Parafina Acido Graso
Inorganico
Sal Hidratada
Metalico
Eutectico
Inorganico -Inorganico
Inorganico -Organico
Organico -Organico
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
Los materiales de cambio de fase liquido-solido maacutes comunes estaacuten en el
rango de temperaturas entre 20degC y 80 degC son las ceras de parafina sales
hidratadas mezclas euteacutecticas y aacutecidos grasos
Las ceras de parafina estaacuten disponibles en el mercado pero su calor
latente (hasta 200 kJkg) es solo la mitad del de las sales hidratadas
Las sales hidratadas son maacutes econoacutemicas que las ceras de parafina y
tambieacuten estaacuten disponibles en el mercado pero tienen algunas desventajas como
las bajas temperaturas de fusioacuten o la corrosioacuten en contacto con metales
En las mezclas euteacutecticas intervienen dos componentes con punto de
fusioacuten (solidificacioacuten) maacutes bajo que el que poseen los compuestos
individualmente Esto hace que la mezcla alcance el punto de congelacioacuten maacutes
bajo posible y ambos se solidifiquen a esa temperatura euteacutectica (Ramiacuterez A
Santos A amp Gonzaacutelez N 2012)
Los PCM tienen una significativa capacidad de almacenar calor por medio
del cambio de estado pero es necesario tener en cuenta los paraacutemetros de
disentildeo del problema y las ventajas y desventajas de los diferentes tipos de
materiales para determinar cuaacuteles son los maacutes apropiados de utilizar en la
construccioacuten dependiendo de sus diferentes caracteriacutesticas y maacutes importante
aun dependiendo de si su temperatura de cambio de fase se acerca a la
temperatura de confort
2241 PCM inorgaacutenicos sales hidratadas
Seguacuten varios investigadores estos materiales fueron muy estudiados en
las primeras etapas de investigacioacuten de PCM por su bajo costo y su capacidad
de almacenamiento de grandes cantidades de calor por unidad de volumen en
comparacioacuten con las sustancias orgaacutenicas que las convierten en candidatos
idoacuteneos para sus muacuteltiples aplicaciones en el aacutembito del almacenamiento de
energiacutea
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
La buacutesqueda de sustancias con temperatura de cambio de fase proacutexima a
la temperatura ambiente no ha encontrado buenos candidatos dentro de este
grupo y las investigaciones se han dirigido maacutes hacia las sustancias orgaacutenicas
Tabla 21 Ventajas e inconvenientes de los PCM inorgaacutenicos
Ventajas Inconvenientes
Econoacutemicos Problemas en el encapsulado y preparacioacuten
del material
Elevada densidad de
almacenamiento teacutermico
Para un uso prolongado necesita de aditivos
Elevada conductividad teacutermica Son susceptibles de sub enfriamiento
(Inestables)
Temperatura de cambio de fase
claramente definida
Debido a la inestabilidad teacutermica y histeacuteresis
se debe aplicar aditivos para evitar una fusioacuten
incongruente en su aplicacioacuten donde puede
reducir su capacidad de almacenamiento de
calor latente
No inflamables Potencialmente corrosivos con algunos
metales
Reciclables y biodegradables
Fuente (Ramiacuterez A Santos A amp Gonzaacutelez N 2012)
Las sales hidratadas tienen algunas propiedades atractivas como los
elevados valores de calor latente no son inflamables y su elevado contenido
hiacutedrico significa que son baratos y muy disponibles Sin embargo sus
caracteriacutesticas de inadaptacioacuten (corrosioacuten inestabilidad dificultades de re-
solidificacioacuten y tendencia al sub enfriamiento) han implicado la realizacioacuten de
estudios hasta la actualidad para poder manejar estas desventajas y realizar su
correcta aplicacioacuten Necesitan por tanto un contenedor para utilizarlos como
aditivos de otros materiales (Ramiacuterez A Santos A amp Gonzaacutelez N 2012)
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
Tabla 22 Temperatura de fusioacuten de algunas sales hidratadas
PCM Temperatura
fusioacuten (ordmC)
Q fusioacuten (kJkg)
KFmiddot4H2O 185 231
Na2SO4middot10H2O 324 254
CaCl2middot6H2O 24ndash29 192
CaCl2middot6H2O+Nucleador+MgCl2middot6H2O 23 -
Fuente (Ramiacuterez A Santos A amp Gonzaacutelez N 2012)
En la tabla 21 se muestran algunas ventajas y desventajas de los PCM
inorgaacutenicos y en la tabla 22 se muestran las temperaturas de fusioacuten de las sales
hidratadas que permiten determinar cuaacuteles son las oacuteptimas para utilizar en
aislacioacuten (las cuales su temperatura de fusioacuten se acerca a la temperatura de
confort)
2242 PCM orgaacutenicos parafinas aacutecidos grasos y mezclas orgaacutenicas
Los PCM orgaacutenicos poseen unas caracteriacutesticas que los hacen muy uacutetiles
en su aplicacioacuten en determinados elementos constructivos para almacenamiento
de calor latente
Investigadores determinaron que son maacutes estables quiacutemicamente que las
sustancias inorgaacutenicas funden y solidifican convenientemente sin necesidad de
agentes nucleadores y no sufren sub-enfriamiento o histeacuteresis (Gawron 1981)
No obstante se ha demostrado que son maacutes compatibles y adecuados para la
adsorcioacuten en varios materiales constructivos Aunque el costo inicial en materia
prima de un PCM orgaacutenico es superior al de un inorgaacutenico su costo final es
competitivo
Sin embargo estos materiales tienen otras desventajas la maacutes
significativa es que son inflamables y que emiten gases nocivos durante su
combustioacuten Otros problemas menos extendidos son las reacciones con los
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
productos de la hidratacioacuten en hormigoacuten (hidroacutexido de calcio) envejecimiento por
oxidacioacuten y cambios de olor
Muchos de estos inconvenientes se han eliminado Se ha visto que el
envejecimiento por oxidacioacuten de los PCM puede inhibirse utilizando un oxidante
adecuado Se estaacute investigando tambieacuten en la emisioacuten de gases y la
inflamabilidad de algunos de los PCM maacutes efectivos para establecer un radio de
ignicioacuten Tambieacuten se estaacute investigando sobre la compatibilidad de los PCM con
el hormigoacuten (Ramiacuterez A Santos A amp Gonzaacutelez N 2012)
En la tabla 23 se muestran algunas ventajas y desventajas de los PCM
orgaacutenicos y en la tabla 24 y 25 se muestran las temperaturas de fusioacuten de las
parafinas y aacutecidos grasos que permiten determinar cuaacuteles son las oacuteptimas para
utilizar en aislacioacuten (las cuales su temperatura de fusioacuten se acerca a la
temperatura de confort)
Tabla 23 Ventajas e inconvenientes de los PCM orgaacutenicos
Ventajas Inconvenientes
Faacuteciles de usar Calor latente y entalpiacutea maacutes bajos
Estabilidad teacutermica y quiacutemica Baja conductividad teacutermica
No sufren subenfriamiento Amplio rango de fusioacuten
No necesitan agente nucleador para
solidificar
Inflamables
No corrosivos Reaccioacuten potencial con hormigoacuten
Reciclables y ecoloacutegicamente inocuos Alto costo
Compatibilidad con materiales de construccioacuten convencionales
Fuente (Ramiacuterez A Santos A amp Gonzaacutelez N 2012)
Dentro de los PCM orgaacutenicos se pueden encontrar tres grupos de
sustancias diferentes parafinas aacutecidos grasos y mezclas orgaacutenicas A
continuacioacuten se presenta una pequentildea descripcioacuten de estos (Ramiacuterez A
Santos A amp Gonzaacutelez N 2012)
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
22421 Parafinas
Las parafinas son esencialmente un alcalino solido refinado Muestran dos
rangos de enfriamiento un rango maacutes estrecho para un breve periodo de tiempo
y un rango maacutes extenso que ocurre durante un periodo maacutes amplio Ambos se
interpretan como una transicioacuten de liacutequido a amorfo-soacutelida y amorfo-solida a
cristalino-solida respectivamente Parte del calor latente total de fusioacuten se
almacena en la sustancia durante cada una de estas transiciones
Tabla 24 Temperatura de fusioacuten de algunas parafinas
PCM Temperatura fusioacuten (ordmC) Q fusioacuten (kJkg)
Hexadecano 18 236
Heptadecano 22 214
Octadecano 28 244
Parafina 20ndash60 200
RT25 25 147
Fuente (Ramiacuterez A Santos A amp Gonzaacutelez N 2012)
22422 Aacutecidos Grasos
Los aacutecidos grasos derivados de productos animales y vegetales estaacuten
constituidos por una larga cadena alifaacutetica maacutes de 12 carbonos Su cadena
alquiacutelica puede ser saturada o insaturada
En general muestran excelentes caracteriacutesticas teacutermicas (punto de fusioacuten
y congelacioacuten) El rango de temperatura de refrigeracioacuten es grande y no se
produce sub enfriamiento aunque en algunos casos se han detectado Estos
materiales sin embargo tienen elevado costo pudieacutendose utilizar en dispositivos
especiales de almacenamiento de calor o frio
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
Tabla 25 Temperatura de fusioacuten de algunos aacutecidos grasos
PCM Temperatura fusioacuten (ordmC) Q fusioacuten (kJkg)
Caacuteprico 315 158
Laacuteurico 42-44 179
Pentadecano 52 159
Miriacutestico 54 190
Palmiacutetico 63 183
Esteaacuterico 70 196
Eritrol 116-118 126
Fuente (Ramiacuterez A Santos A amp Gonzaacutelez N 2012)
2243 Mezclas euteacutecticas
Tambieacuten existen las mezclas euteacutecticas que puede ser la mezcla de 2
PCM orgaacutenicos de 2 PCM inorgaacutenicos o de un PCM Orgaacutenico maacutes un PCM
inorgaacutenico A continuacioacuten en la tabla 26 se muestra la clasificacioacuten de los PCM
Tabla 26 Clasificacioacuten de los PCMs
Tipo PCM Composicioacuten
Orgaacutenicos Compuestos de parafina
Compuestos sin parafina
Inorgaacutenicos Sales hidratadas
Metaacutelicos
Euteacutecticos Orgaacutenico-Orgaacutenico
Orgaacutenico-Inorgaacutenico
Inorgaacutenico-Inorgaacutenico
Fuente (JuarezD Balart R Ferrandiz S amp Garcia D 2012)
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
23 Criterios de seleccioacuten de los Materiales con Cambio se Fase
Es muy importante la correcta seleccioacuten del material de cambio de fase
dependiendo del campo en que se desee utilizar por lo que a continuacioacuten se
presentaran algunos criterios para seleccionar un PCM correctamente Estos
criterios son propuestos seguacuten una investigacioacuten realizada en Espantildea (Ramiacuterez
A Santos A amp Gonzaacutelez N 2012)
a) Fiacutesicas
bull La densidad del liacutequido y del solido deben ser similares y preferiblemente
elevadas para poder almacenar mayor cantidad de calor por unidad de volumen
bull Variacioacuten de volumen (en el cambio de fase) bajo
b) Cineacuteticas
bull Evitar el problema de histeacuteresis subenfriamiento o retardo al inicio de la
solidificacioacuten como ocurre en los PCM inorgaacutenicos que se produce al no ceder
el calor latente de un PCM pese a que su temperatura sea inferior al punto de
congelacioacuten
c) Quiacutemicas
bull El proceso de cambio de fase debe ser totalmente reversible y solo dependiente
de la temperatura
bull Ser quiacutemicamente estables en el tiempo evitando su descomposicioacuten y
contaminacioacuten
bull No presentar segregacioacuten de fases
bull Ser compatibles con los materiales de encapsulado y otros con los que esteacute en
contacto estabilidad quiacutemica para evitar oxidacioacuten descomposicioacuten teacutermica
hidroacutelisis corrosioacuten y otras reacciones
bull No inflamables y resistentes al fuego
d) Teacutermicas
bull La temperatura de cambio de fase debe ser adecuada a cada aplicacioacuten
particular
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
bull Presentar una temperatura de fusioacuten definida o al menos el cambio de fase
debe producirse en un valor discreto o en un pequentildeo intervalo de temperaturas
bull Poseer una gran capacidad de almacenamiento de calor sensible (calor
especiacutefico) en estado soacutelido y liacutequido y elevada entalpia de cambio de fase calor
latente
bull Poseer una alta conductividad teacutermica para facilitar la transferencia de calor
e) Econoacutemicas
bull Estar disponible en grandes cantidades a bajo costo para que sean viables
teacutecnica y econoacutemicamente
bull Tener un razonable ciclo de vida uacutetil de acuerdo con su costo
24 Vida uacutetil del material cambio fase
El tiempo de vida uacutetil de un PCM viene determinado por la cantidad de
ciclos teacutermicos que es capaz de soportar un material manteniendo su estabilidad
teacutermica El PCM es sometido a repetidos ciclos de calentamiento y enfriamiento
en los que el material cambia de fase de soacutelido a liacutequido y posteriormente vuelve
a cambiar de fase de liacutequido a soacutelido Se miden sus propiedades teacutermicas en
temperaturas fusioacuten y entalpias obteniendo el nuacutemero de ciclos en los que las
propiedades teacutermicas del material no variacutean de forma considerable
Tras realizar una exhaustiva buacutesqueda existe muy poca bibliografiacutea
acerca de la degradacioacuten teacutermica de los PCM y la determinacioacuten de su tiempo de
uso especialmente en aplicaciones para edificacioacuten donde la vida uacutetil del material
debe ser elevada
Aunque es complicado conocer la vida uacutetil real de estos materiales y en
queacute momento dejan de conservar sus propiedades adecuadas para las
aplicaciones a las que se destina existen algunos artiacuteculos basados en
experimentos realizados en laboratorios de materiales sometidos a ciclos
teacutermicos acelerados para determinar si en un nuacutemero de ciclos el material
mantiene sus propiedades teacutermicas intactas (temperaturas fusioacuten y entalpias)
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
Algunos materiales son sometidos a 50 100 1000 o hasta 5000 ciclos teacutermicos
Pero el problema es determinar si ese maacuteximo de 5000 ciclos es suficiente para
asegurar que un material seguiraacute cumpliendo su funcioacuten Hasta el momento no
se ha encontrado en la literatura ninguna investigacioacuten donde se ensaye el
material un nuacutemero suficiente de ciclos hasta la peacuterdida de sus propiedades
teacutermicas para poder conocer su vida uacutetil o el nuacutemero de ciclos que es capaz de
soportar el PCM hasta su degradacioacuten
Por todo lo anteriormente expuesto en esta investigacioacuten se ha
considerado la vida uacutetil del material como el mayor nuacutemero de ciclos soportados
por un material obtenidos a partir de los estudios realizados por diferentes autores
en la literatura o fabricante a pesar de no haber llegado a degradarse en su
totalidad
25 Aplicacioacuten en la construccioacuten
El sector de la construccioacuten es el que maacutes beneficios puede obtener de la
utilizacioacuten de materiales con cambio de fase (PCM) ya que tiene importantes
beneficios en ahorro energeacutetico reducir la contaminacioacuten de CO2 y optimizar la
inercia teacutermica en las edificaciones con el objetivo de mejorar la habitabilidad de
los usuarios
La temperatura interior en un edificio depende de las condiciones
exteriores interiores y de las caracteriacutesticas teacutermicas de la edificacioacuten como la
capacidad teacutermica de los materiales que tiene un efecto como el mostrado en la
figura 23 el cual no considera un sistema activo en su anaacutelisis
Figura 23 Estabilizacioacuten de la temperatura interior por el efecto inercia teacutermica
Fuente (M Kenisarin amp K Mahkamov 2007)
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
Actualmente la mayoriacutea de los materiales de construccioacuten son livianos lo
que trae como consecuencia una baja capacidad caloriacutefica La introduccioacuten de
materiales de cambio de fase puede aumentar la inercia teacutermica del edificio sin
aumentar mucho su peso Sin embargo es necesario disponer de aacuterea de
transferencia de calor suficiente para liberar esa energiacutea (Dincer I amp Rosen M
2002) y es imprescindible que se pueda descargar el material por medio de la
ventilacioacuten durante la noche para prevenir el sobrecalentamiento en los
elementos con PCM (M Kenisarin amp K Mahkamov 2007)
La Figura 24 muestra una comparacioacuten entre el espesor de material
requerido para obtener la misma capacidad teacutermica que la obtenida con un
centiacutemetro de PCM
Figura 24 Espesor requerido de distintos materiales Vs Energiacutea teacutermica
Fuente (M Kenisarin amp K Mahkamov 2007)
Las caracteriacutesticas requeridas para el empleo de materiales de cambio de
fase en la edificacioacuten son
0 5 10 15 20 25 30 35 40
Yeso
Madera
Hormigon
Ceramico
Ladrillo
PCM
Espesor (cm)
H (
kJK
g)
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
Temperatura de cambio de fase entre 12 y 25ordmC
Alta estabilidad a los ciclos de cambio de fases debido a la larga vida uacutetil
de los edificios
No corrosivos para reducir el riesgo de fuga de su contenedor y evitar
dantildeos en la estructura del edificio
Considerar la inflamabilidad al fuego y dar soluciones constructivas de
acuerdo a la normativa
Econoacutemicamente viable en funcioacuten de los costos de implementacioacuten y
ahorro energeacuteticos
Una limitacioacuten de los PCM para su aplicacioacuten en la construccioacuten es la
estacionalidad pues el PCM debe ser seleccionado para aplicaciones en
calefaccioacuten pasiva Esta limitacioacuten reduce los beneficios teacutermicos el ahorro
energeacutetico y su viabilidad econoacutemica Investigadores estudiaron un concepto de
doble capa de PCM para que funcionara durante todo el antildeo (A Pasupathy L
Athanasius R Velraj amp RV Seeniraj 2008)
26 Encapsulacioacuten
Uno de los criterios que ha limitado el uso generalizado de los PCM es la
incompatibilidad entre estos materiales y sus contenedores afectando su
estabilidad a largo plazo degradado sus propiedades y provocando la corrosioacuten
de sus recipientes de embalaje Como respuesta a estos inconvenientes han
surgido diferentes teacutecnicas de encapsulacioacuten de los PCM las cuales ofrecen
unas ventajas significativas tales como
Aumento del aacuterea de transferencia de calor
Reduccioacuten de la reactividad hacia el ambiente exterior
Control de los cambios en el volumen eacutestos ocurren dentro de la capsula
No hay absorcioacuten de humedad
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
Los meacutetodos de encapsulacioacuten clasificados de acuerdo a su tamantildeo
pueden ser de dos tipos micro y macro encapsulados (Lane 1986)
261 Microcaacutepsulas
Una investigacioacuten menciona que la micro encapsulacioacuten podriacutea definirse
como el proceso de rodear o envolver una sustancia en otra sustancia a escala
muy reducida produciendo caacutepsulas que van desde 1 μm a 1000 μm de diaacutemetro
Los tres estados de la materia (soacutelidos liacutequidos y gases) pueden ser micro
encapsulado
El material de la membrana exterior debe ser compatible con el PCM y a
su vez ser capaz de hacer frente a la tensioacuten mecaacutenica sobre las paredes del
recipiente provocada por las variaciones de volumen durante el cambio de fase
(S E Kalnaeligs amp B P Jelle 2015)
Por lo general los PCM micro-encapsulados se encuentran
comercialmente disponibles en dos formatos dispersioacuten fluida donde las
caacutepsulas son dispersadas en agua o en polvo en mezclas en seco
La figura 25 muestra en teacuterminos practico la conformacioacuten de la
envolvente de poliacutemero en una cera PCM dimensionando el tamantildeo en ellas
Figura 25 Microcaacutepsulas
Fuente (S E Kalnaes and B P Jelle 2015)
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
262 Macrocaacutepsulas
La macro-encapsulacioacuten hace referencia a PCM encapsulados en
cualquier tipo de recipiente tal como tubos esferas o paneles que pueden ser
incorporados en materiales de construccioacuten o que actuacutean como intercambiadores
de calor por siacute mismos El tamantildeo de estos contenedores es por lo general maacutes
de 1 cm3 almacenando desde varios mililitros hasta varios litros La tecnologiacutea
de macro encapsulacioacuten emplea un proceso de encapsulacioacuten de doble capa
creando una caacutepsula con una configuracioacuten en forma de matriz La principal
ventaja de los envases plaacutesticos es la disponibilidad en el mercado y la facilidad
de producirlos en una gran variedad de formas y con pocas restricciones
geomeacutetricas Ademaacutes son compatibles con la mayoriacutea de PCM incluyendo las
sales hidratadas por lo general no presentan degradacioacuten aunque algunos
materiales orgaacutenicos pueden llegar a suavizarlos (S E Kalnaes and B P Jelle
2015)
El PCM se encuentra confinado por la encapsulacioacuten evitaraacute cambios
volumeacutetricos importantes lo que evita varios riesgos y garantiza la integridad del
componente en el que se insertan las caacutepsulas La barrera polimeacuterica puede ser
de otros materiales por ejemplo como aluminio ya que mejora la compatibilidad
con otros materiales de construccioacuten y evita la corrosioacuten Este tipo de aplicacioacuten
es de faacutecil manejo una clara ventaja de este proceso en relacioacuten a los meacutetodos
de impregnacioacuten e inmersioacuten del iacutetem anterior
Figura 26 Caacutepsulas de macro PCM (Contenedor plano Esfera Placas de
barra doble y placas de aluminio)
Fuente (S E Kalnaeligs amp B P Jelle 2015)
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
CAPITULO III MEacuteTODOS Y METODOLOGIacuteA
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
En este estudio la evaluacioacuten se centra en el anaacutelisis de optimizacioacuten de
la aplicacioacuten PCM a los muros exteriores y dimensionamiento del rendimiento
teacutermico de una vivienda en estudio
Los modelos generados en el software Energy Plus se ingresoacute valores de
los sistemas constructivos de la vivienda en estudio condiciones climaacuteticas
caracterizacioacuten PCM en muros exteriores y caracterizacioacuten macro encapsulacioacuten
de acuerdo con las directrices (DOE 2016) se explica en las siguientes secciones
del capiacutetulo
31 Herramienta de simulacioacuten de energiacutea
Para evaluar los PCM de comportamiento teacutermico variable de la vivienda
en estudio con y sin PCM se utilizoacute el software EnergyPlus v 87
En teacuterminos generales el software puede evaluar una variedad de caacutelculos
destacados como los caacutelculos de puentes teacutermicos HVAC integrado y
simulaciones de carga de construccioacuten confort teacutermico y materiales con
conductividad teacutermica variable como el PCM (DB Crawley LK Lawrie FC
Winkelmann WF Buhl YJ Huang amp CO Pedersen 2001) Ademaacutes hay
muchas opciones para la conveccioacuten de la superficie interior y exterior
algoritmos infiltracioacuten avanzada e ventilacioacuten energiacutea desarrollada costos del
ciclo de vida algoritmos avanzados de confort teacutermico como como la calidad del
aire interior y el confort teacutermico para los ocupantes (DB Crawley JW Hand M
Kummert amp BT Griffith 2008)
Para analizar el comportamiento teacutermico variable de los PCM en estudio
se utilizoacute el algoritmo de diferencia finita de conduccioacuten (CondFD) Este algoritmo
modela la transferencia de calor en presencia de PCM y junto con la ecuacioacuten (2)
discretiza la envolvente del edificio en varios nodos para resolver numeacutericamente
la transferencia de calor en el software se puede escoger ecuaciones por un
esquema totalmente impliacutecito y el Crank-Nicolson que es semi-impliacutecito (KO
Lee 2016)
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
42
Diego Sarabia Meacutendez
En esta investigacioacuten se utiliza un esquema Crank-Nicolson para simular
PCM para un material homogeacuteneo con espaciado uniforme de nodos como se
muestra en la ecuacioacuten (2) (3) y (4) extraiacutedo del manual del software
EnergyPlus (DOE 2016)
119862119901120588∆119909119879119894
119895+1minus 119879119894
119895
∆119905= (119896119908
119879119894+1119895+1
minus 119879119894119895+1
∆119909+ 119896119864
119879119894minus1119895+1
minus 119879119894119895+1
∆119909+ 119896119908
119879119894+1119895
minus 119879119894119895
∆119909+ 119896119864
119879119894minus1119895
minus 119879119894119895
∆119909)
Ec 2
∆119909 = radic119888120572∆119905 Ec 3
Donde Cp y ρ son el calor especiacutefico y la densidad del material Δ119909 es el
espesor de capa de diferencia finita Δ119905 es el paso de tiempo 119879 es la temperatura
de un nodo 119894 119894 + 1 y 119894 minus 1 son los nodos adyacentes al interior y exterior
respectivamente de una capa de material 119895 y 119895 + 1 son los pasos de tiempo
anterior y nuevo 119896119908 y 119896119864 representan las conductividades teacutermicas 119896119908 =
119896119894+1119895+1
+119896119894119895+1
2 y 119896119864 =
119896119894minus1119895+1
+119896119894119895+1
2 120572 es la difusividad teacutermica del material y 119888 es la
constante de discretizacioacuten del espacio que puede definir el usuario (3 es el valor
predeterminado para esta constante seguacuten manual)
Esta investigacioacuten considera el uso de paneles PCM por lo tanto el
algoritmo CondFD ecuacioacuten (2) debe combinarse con una funcioacuten de temperatura
de entalpiacutea ℎ = ℎ (119879) estos datos en la funcioacuten se obtendraacuten de acuerdo al estudio
bibliograacutefico El algoritmo usa esta funcioacuten para actualizar el calor especiacutefico
equivalente (119862119901) en cada paso de tiempo como se muestra en la ecuacioacuten (4)
lowast 119862119901(119879) =ℎ119894
119895minus ℎ119894
119895minus1
119879119894119895
minus 119879119894119895minus1
Ec 4
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
43
Diego Sarabia Meacutendez
32 Descripcioacuten Vivienda en estudio
En este apartado se define los sistemas constructivos de la vivienda en
estudio con y sin PCM para obtener la liacutenea base de comparacioacuten
En la figura 31 se muestra el disentildeo de vivienda en estudio de 56 m2 y
los espacios interiores con su distribucioacuten de aacutereas veacutease en la tabla 31 esta
vivienda se configuro de acuerdo a las soluciones constructivas acreditadas
(MINVU Soluciones constructivas acreditadas al fuego teacutermico y acuacutestico
2020)
Las caracteriacutesticas de la envolvente de la vivienda en estudio cuentan con
la configuracioacuten miacutenima de la reglamentacioacuten teacutermica que actualmente rige en
Chile estaacute establecida en la Ordenanza General de Urbanismo y Construcciones
en su artiacuteculo 4110 y en una zonificacioacuten del paiacutes en zonas teacutermicas seguacuten
grados-diacutea especificados en el manual de aislamiento teacutermico (MINVU Manual
de aplicacioacuten y reglamentacoacuten teacutermica 2017) Los complejos de techumbres
muros perimetrales y pisos inferiores ventilados entendidos como elementos que
constituyen la envolvente de la vivienda deberaacuten tener una transmitancia teacutermica
ldquoUrdquo igual o menor o una resistencia teacutermica total ldquoRtrdquo igual o superior a la
sentildealada para la zona que le corresponda al proyecto de arquitectura de acuerdo
con los planos de zonificacioacuten teacutermica corresponde a zona 4 y se verifica lo
anteriormente expuesto en la tabla 32 cabe sentildealar que los valores de
transmitancia teacutermica se extrajeron de acuerdo a las ecuaciones de balance
teacutermico que estaacute incorporado en el software
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
44
Diego Sarabia Meacutendez
Figura 31 Descripcioacuten Vivienda en estudio
Elaboracioacuten Propia - Software Revit
A continuacioacuten se muestra las dimensiones que tiene cada espacio de las
dos torres del edificio en las siguientes tablas
Tabla 31 Resumen superficies de los distintos espacios vivienda en estudio
Torre A
Lugar Superficie (119950120784) Altura (m)
Dormitorio Primario 8 24
Dormitorio Secundario 7 24
Cocina 9 24
Living - Comedor 28 24
Bantildeo 3 24
TOTAL 56
Fuente Elaboracioacuten Propia
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
Tabla 32 Cumplimiento de la envolvente elementos constructivos de la vivienda en estudio
Elemento Materiales (exterior al
interior)
Espesor (m)
Transmitencia teacutermica Valor U (Wm2K)
Transmitencia teacutermica exigida Valor U (Wm2K)
Muro Exterior
Siding
Fibrocemento
0006
0672
17
Plancha OSB 0009
Entramado
madera pino 2x3
0075
Lana de vidrio 005
Caacutemara no
ventilada
(Ubicacioacuten del
PCM)
0026
Placa yeso cartoacuten 0015
Muro Interior
Placa yeso cartoacuten 0015
0677
17
Entramado
madera pino 2x2
0075
Lana de vidrio 005
Placa yeso cartoacuten 0015
Techumbre
Plancha Zincalum 0035
0316
038
Fieltro 0005
Plancha OSB 0009
Entramado madera pino 2x2
0075
Lana de Vidrio 005
Placa yeso cartoacuten 00125
Piso en contacto
con el terreno
Radier Hormigoacuten 02 17 No aplica
Fuente Elaboracioacuten Propia
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
Para integrar el PCM con la vivienda en estudio se configuro las
propiedades teacutecnicas y la ubicacioacuten optima interna del PCM al panel externo
constructivo donde se administroacute en el modelo de simulacioacuten veacutease en la Figura
313 y figura 38
321 Meacutetodo de zona en software EnergyPlus
El modelo de construccioacuten creado se utilizoacute el meacutetodo de zona donde
todas las zonas fueron modeladas con informacioacuten completa en construccioacuten
ocupacioacuten equipamiento y HVAC
Al iniciar el modelo se elige la ubicacioacuten y el tipo de anaacutelisis Despueacutes se
debe ingresar un nombre al sitio y a cada zona Ademaacutes se puede asignar varios
edificios bajo el mismo sitio cada uno con su propio nombre Una vez definido lo
anterior se genera bloque que generalmente representa un piso o nivel planta
para este estudio se genera bloque de acuerdo a la figura 32
Figura 32 Modelo de zona en casa de estudio
Fuente Elaboracioacuten Propia
La fase de zonificacioacuten separa las diferentes zonas teacutermicas Para el
modelo cada suite se considera una zona El meacutetodo de zona permite asignar
diferentes horarios operativos a cada zona Cada una de las paredes de cada
bloque se llama superficie y ventanas o puertas como sub-superficies o
aberturas La vivienda se muestra parcialmente en la Figura 33
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
47
Diego Sarabia Meacutendez
Figura 33 Zona y sub-superficie de vivienda en estudio
Fuente Elaboracioacuten Propia
El software da la posibilidad de elegir los materiales utilizados en la
construccioacuten de la vivienda a traveacutes de sus bibliotecas de materiales o pueden
ser creados por el usuario y los materiales elegidos son asignado a las partes
especificadas de la vivienda Estos pasos se repitieron en todos los pisos para
completar todo el modelo de construccioacuten
33 Datos meteoroloacutegicos
El modelo de simulacioacuten se mantuvo en base a los datos meteoroloacutegicos
con formato EPW en Energy plus se definioacute la ubicacioacuten Concepcioacuten Chile Con
el objetivo de evaluar el rendimiento teacutermico y analizar la optimizacioacuten de la
posicioacuten del PCM al muro exterior de la vivienda en estudio Las configuraciones
de los datos meteoroloacutegicos se muestran en la Figura 34
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
Figura 34 Configuracioacuten datos meteoroloacutegico
Fuente Elaboracioacuten Propia
34 Jornadas de ocupacioacuten
Para realizar la simulacioacuten energeacutetica se deben definir una serie de
planillas de ocupacioacuten de los recintos uso de luminaria y equipos En estas
planillas de ocupacioacuten se define el ciclo horario para todos los diacuteas del antildeo
Esto se realiza con la finalidad de establecer los periodos en los que
influyen los distintos tipos de cargas internas en la vivienda
A continuacioacuten se adjunta a modo de ejemplo la figura 35 en la cual se
puede ver el menuacute de configuracioacuten de las plantillas de ocupacioacuten
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
49
Diego Sarabia Meacutendez
Figura 35 Planilla de uso horario de un recinto
Fuente Elaboracioacuten propia
35 Configuracioacuten envolvente por elemento y sistemas de climatizacioacuten
Definidos las zonas y multi zonas del modelo se deberaacute configurar los
sistemas constructivos en sus propiedades teacutermicas y dimensiones El software
automaacuteticamente genera el caacutelculo de transmitancia teacutermica anaacutelisis de
condensacioacuten y dimensioacuten en imagen por elemento Veacutease en la figura 36
Para configurar el sistema de climatizacioacuten primero se debe definir los
rangos de temperatura confort teacutermico en la pestantildea de actividades del software
Veacutease figura 37 A continuacioacuten se define el tipo de sistema de climatizacioacuten
definiendo las horas de operacioacuten tipo combustible y rendimiento del sistema
como se muestra en la figura 38
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
50
Diego Sarabia Meacutendez
Figura 36 Planilla configuracioacuten envolvente por elemento
Fuente Elaboracioacuten propia
Figura 37 Planilla configuracioacuten rango de temperatura confort teacutermico
Fuente Elaboracioacuten propia
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
Figura 38 Planilla configuracioacuten del tipo de sistema de climatizacioacuten
Fuente Elaboracioacuten propia
36 Caracterizacioacuten PCM
En este estudio se utilizoacute placas PCM tipo orgaacutenico de parafina tiene una
relacioacuten de mezcla de n-octadecano a n-heptadecano seleccionado debido a la
eficiencia energeacutetica con temperatura cercana al confort teacutermico (12ndash26 deg C)
basado en ISO 13790 (KO Lee 2016)
Seguacuten el estado de arte existente se definioacute los tres materiales de cambio
de fase los cuales son candidatos idoacuteneos para utilizar en esta investigacioacuten
Estos materiales han sido estudiados por diversos autores con el fin de obtener
sus propiedades termofiacutesicas y usarlas en la edificacioacuten La razoacuten de utilizar estos
materiales es debido a sus propiedades teacutermicas y el que su temperatura de
fusioacuten es cercana a la temperatura de confort
Ademaacutes la vida uacutetil del PCM es de 13 antildeos seguacuten su ciclo de cambio
fase considerando 365 cambios fase anual el cual se justifica con los costos de
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
52
Diego Sarabia Meacutendez
inversioacuten al implementar esta tecnologiacutea dependiendo de la magnitud del flujo
de calor el cuaacutel se quiere operar
Las especificaciones teacutecnicas de las placas PCM y el comportamiento de
temperaturas y entalpias de operacioacuten se describen en la tabla 33 las cuales se
vinculan con el algoritmo CondFD de la ecuacioacuten (2) para evaluar su rendimiento
energeacutetico en la vivienda en estudio
361 Seleccioacuten de Materiales Cambio Fase
Tabla 33 Especificaciones teacutecnicas de PCM a utilizar
Caracteriacutesticas RT18HC
Valores Unidades Grafica entalpia y Temperatura
Temperatura de Fusioacuten
18
degC
Almacenamiento de calor
260 [kJkg]
Capacidad calor especifico
2 [kJkgK]
Densidad solido (a los 15degC)
088 [kgl]
Densidad solido (a los 25degC)
077 [kgl]
Conductividad teacutermica
(Ambas fases)
02 [W(mK)]
Expansioacuten de Volumen
125
Maacutexima temperatura operacioacuten
50 degC
Ciclo Cambio fase
5000 -
Caracteriacutesticas RT21HC
Valores Unidades Grafica entalpia y Temperatura
Temperatura de Fusioacuten
21
degC
Almacenamiento de calor
155 [kJkg]
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
53
Diego Sarabia Meacutendez
Capacidad calor especifico
2 [kJkgK]
Densidad solido (a los 15degC)
088 [kgl]
Densidad solido (a los 25degC)
077 [kgl]
Conductividad teacutermica
(Ambas fases)
02 [W(mK)]
Expansioacuten de Volumen
12
Maacutexima temperatura operacioacuten
45 degC
Ciclo Cambio fase
5000 -
Caracteriacutesticas RT22HC
Valores Unidades Grafica entalpia y Temperatura
Temperatura de Fusioacuten
22
degC
Almacenamiento de calor
190 [kJkg]
Capacidad calor especifico
2 [kJkgK]
Densidad solido (a los 15degC)
076 [kgl]
Densidad solido (a los 25degC)
070 [kgl]
Conductividad teacutermica
(Ambas fases)
02 [W(mK)]
Expansioacuten de Volumen
125
Maacutexima temperatura operacioacuten
50 degC
Ciclo Cambio fase
5000 -
Fuente (Rubitherm 2020)
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
362 Configuracioacuten del PCM en EnergyPlus
De acuerdo al estudio bibliograacutefico de los materiales cambio fase para
ingresar los datos al software se debe definir las cantidades de temperatura de
operacioacuten identificar el punto de fusioacuten en las graacuteficas de entalpia y temperatura
de la tabla 33 conductividad teacutermica calor especifico densidades y espesor en
el elemento constructivo con el fin de determinar el flujo de calor de operacioacuten
de acuerdo al balance termodinaacutemico de la ecuacioacuten (2) A continuacioacuten se
adjunta a modo de ejemplo la figura 39 en la cual se puede ver el menuacute de
configuracioacuten
Figura 39 Configuracioacuten del PCM en el software
Fuente Elaboracioacuten Propia
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
363 Cotizacioacuten PCM RT21
La inversioacuten total del material cambio fase es de $1106679
correspondiente a 160 kg con transporte incluido Se observa que el costo de
transporte afecta considerablemente en su valor (Alemania)
Se realizoacute cotizacioacuten del material RT21 en la empresa alemana Rubitherm
se presenta en la figura 310
Figura 310 Cotizacioacuten del material RT21
Fuente (Rubitherm 2020)
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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37 Caracterizacioacuten Macro encapsulacioacuten
En esta seccioacuten la placa de macro encapsulacioacuten utilizada para el PCM
es de materialidad de aluminio veacutease figura 311 esto aumenta la transferencia
de calor en los PCM Son dos placas que estaacuten unidas entre siacute Se unen en dos
puntos centrados y se pegan en sus marcos Pueden ser utilizados para PCM
(orgaacutenico - inorgaacutenico) Por lo tanto se puede ofrecer un rango de temperatura
para una variedad de aplicaciones El grosor depende del volumen de llenado y
por lo tanto de la capacidad de almacenamiento Para el estudio se seleccionoacute
el modelo CSM105 Rubitherm el cual su espesor es de 15 mm y puede
almacenar 2 Kg de PCM por placa
Figura 311 Modulo Almacenamiento Macro encapsulacioacuten de aluminio
Fuente (Rubitherm 2020)
371 Cotizacioacuten Macro encapsulacioacuten
La inversioacuten total de la Macro encapsulacioacuten de aluminio modelo CSM105
Rubitherm es de $ 4326306 correspondiente a 150 unidades con transporte
incluido Se observa que el costo de transporte afecta considerablemente en su
valor (Alemania) Se realizoacute cotizacioacuten de los elementos de Macro encapsulacioacuten
de aluminio modelo CSM105 Rubitherm se presenta en la figura 312
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
57
Diego Sarabia Meacutendez
Figura 312 Cotizacioacuten Macro encapsulacioacuten
Fuente (Rubitherm 2020)
38 Validacioacuten muro constructivo con PCM
De acuerdo a los estudios del estado de arte y conocimientos teacutecnicos se
validoacute el sistema constructivo propuesto del muro exterior en el cumplimiento de
resistencia al fuego de acuerdo al cataacutelogo de soluciones constructivas del
MINVU y de la Ordenanza General de Urbanismo y Construcciones (OGUC)
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
381 Cumplimiento de la OGUC y Resistencia al fuego
Dentro de las exigencias a cumplir por la OGUC se tiene la resistencia
al fuego en elementos constructivos seguacuten el tipo de recinto Para el caso del
muro de la vivienda en estudio se hace el siguiente anaacutelisis
De la tabla Ndeg34 seguacuten ldquodestino del edificiordquo ldquosuperficie edificada (m2)rdquo y
ldquonuacutemero de pisosrdquo se obtiene una clasificacioacuten (a b c y d) seguacuten corresponda
En el caso de estudio se tiene una vivienda de 1 piso por lo que el destino
es ldquoHabitacionalrdquo y por nuacutemero de pisos se establece una clasificacioacuten ldquodrdquo
Tabla 34 Clasificacioacuten de los edificios seguacuten su destino superficie edificada y
nuacutemero de pisos Destino del Edificio Superficie Edificada (m2) Nuacutemeros de Pisos
1 2 3 4 5 6 7 o mas
Habitacional Cualquiera d d c c b a a
Hoteles Sobre 5000 c b a a a a a
Sobre 1500 y hasta 5000 c b b b a a a
Sobre 500 y hasta 1500 c c b b a a a
Hasta 500 d c b b a a a
Oficinas Sobre 1500 c c b b b a a
Sobre 500 y hasta 1500 c c c b b b a
Hasta 500 d c c b b b a
Museos Sobre 1500 c c b b b a a
Sobre 500 y hasta 1500 c c c b b b a
Hasta 500 d c c b b b a
Clinica Hospitales y Lab Sobre 1000 c b b a a a a
Hasta 1000 c c b b a a a
Policlinicos Sobre 400 c c b b b b a
Hasta 400 d c c b b b a
Restaurante Sobre 500 b a a a a a a
Sobre 250 y hasta 500 c b b a a a a
Hasta 250 d c c b b a a
Locales Comerciales Sobre 500 c b b a a a a
Sobre 200 y hasta 500 c c b b a a
Hasta 200 d c b b b a a
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
Bibliotecas Sobre 1500 b b a a a a a
Sobre 500 y hasta 1500 b b b a a a a
Sobre 250 y hasta 500 c b b b a a a
Hasta 250 d c b b a a a
Automotoras Cualquiera d c c b b b a
Edificio Estacionamiento Cualquiera d c c c b b a
Fuente (MINVU Soluciones constructivas acreditadas al fuego teacutermico y
acuacutestico 2020)
Para lograr obtener la resistencia al fuego necesaria se debe utilizar
ademaacutes la tabla 34 la cual utilizo como criterios la clasificacioacuten obtenida de la
tabla 35 y el tipo de elemento constructivo
Tabla 35 Resistencia al fuego para diferentes elementos de construccioacuten Elementos de Construccioacuten
Tipo (1) (2) (3) (4) (5) (6) (7) (8) (9)
A F-180 F-120 F-120 F-120 F-120 F-30 F-60 F-120 F-60
B F-150 F-120 F-90 F-90 F-90 F-15 F-30 F-90 F-60
C F-120 F-90 F-60 F-60 F-60 - F-15 F-60 F-30
D F-120 F-60 F-60 F-60 F-30 - - F-30 F-15
Fuente (MINVU Soluciones constructivas acreditadas al fuego teacutermico y
acuacutestico 2020) Simbologiacutea
Elementos verticales
(1) Muros cortafuego
(2) Muros zona vertical de seguridad y caja de escalera
(3) Muros caja de ascensores
(4) Muros divisorios entre unidades (hasta la cubierta)
(5) Elementos soportantes verticales
(6) Muros no soportantes y tabiques
Elementos verticales y horizontales
(7) Escaleras
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
60
Diego Sarabia Meacutendez
Elementos Horizontales
(8) Elementos soportantes horizontales
(9) Techumbre incluido cielo falso
Para el caso de los muros que dan al exterior de la vivienda en estudio se
considera en la categoriacutea (5) y seguacuten la clasificacioacuten obtenida de la tabla 35 (d)
se tiene un grado de resistencia al fuego F-30
Para cumplir con esta exigencia se utiliza una solucioacuten del cataacutelogo de
soluciones constructivas del MINVU la cual se presenta a continuacioacuten
Tabla 36 Tabique perimetral estructura madera en vivienda en estudio
A233014 Tabique Estructura Madera Volcanita 15 mm RF Placa
OSB 9 mm Siding Volcan 6 mm Aislanglas R122 50 mm
Elemento estaacute formado por una estructura de madera hecha con listones de pino
radiata de 2rdquo x 3rdquo en bruto Consta de 5 pie-derechos distanciados entre ejes
cada 06 m dos cadenetas distanciadas entre ejes cada 08 m una solera inferior
y otra superior Esta estructuracioacuten esta forrada por una de sus caras con una
plancha de yeso-cartoacuten ldquoVolcanita RFrdquo de 15 mm de espesor La otra cara esta
forrada con una placa de madera OSB de 9 mm de espesor y como terminacioacuten
en esta cara lleva unas fajas horizontales de fibrocemento ldquoSiding Volcanrdquo tipo
tinglado de 190 mm de ancho y 6 mm de espesor Todo el conjunto esta
atornillado a la estructura de madera Esta conformacioacuten deja espacios libres en
el interior del panel estaacuten rellenos con una manta de lana de vidrio tipo rollo libre
R122 de 50 mm de espesor de densidad media aparente de 14 kgm3 Las
dimensiones para el ensayo fue 22 de ancho x 24 de alto y 105 mm de espesor
INSTITUCION Ndeg Informe Lab Fecha Resistencia Inscripcioacuten
Volcaacuten SA 374721 IDIEM 26-06-96 F-30 2015
Fuente (MINVU Soluciones constructivas acreditadas al fuego teacutermico y
acuacutestico 2020)
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
61
Diego Sarabia Meacutendez
Otra de las exigencias por parte de la OGUC es el cumplimiento de la
reglamentacioacuten teacutermica mostrado en la tabla 32 para esto se compara las
transmitancias teacutermicas exigidas con las envolventes de los elementos
constructivos de la vivienda en estudio Para el caso del muro donde se
incorporaraacute el PCM se seleccionoacute de acuerdo al listado de soluciones
constructivas del MINVU para validar la resistencia al fuego En la figura 313 se
visualiza las componentes de la envolvente del muro con PCM
Figura 313 Sistema Constructivo Muro exterior con PCM en vivienda estudio
Fuente Elaboracioacuten Propia
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
62
Diego Sarabia Meacutendez
CAPITULO IV RESULTADOS Y DISCUSIOacuteN
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
63
Diego Sarabia Meacutendez
En este segmento se evaluoacute el comportamiento energeacutetico de los
materiales cambio fase mediante el software Energy Plus Los materiales cambio
fase se produce dentro de placas de macro encapsulacioacuten de aluminio al interior
de los muros exteriores
Por lo tanto se observoacute el aporte energeacutetico de los materiales cambio fase
en un sistema activo de calefaccioacuten optimizando los sistemas constructivos en
la vivienda en estudio y dar respuesta a su aplicacioacuten en acondicionamiento
ambiental
41 Comportamiento Energeacuteticos de los materiales cambio fase
A continuacioacuten se comparoacute el comportamiento energeacutetico de dos sistemas
de climatizacioacuten con el aporte energeacutetico pasivo de los distintos materiales
cambio fase en una vivienda en estudio
411 Rendimiento energeacutetico de calefaccioacuten con y sin PCM
Para evaluar el comportamiento energeacutetico se definioacute la temperatura de
fusioacuten de los PCM en el rango de 18 a 22degC el aporte energeacutetico de los PCM
ayudo a mantener constante la temperatura confort de 21degC en la vivienda y
reducir los consumos energeacuteticos del sistema activo para este estudio se
escogioacute dos sistemas de climatizacioacuten caso 1 calefaccioacuten a lentildea con un η=07 y
caso 2 Climatizacioacuten por bomba de calor η=27 esta seleccioacuten se debe a que el
sistema de calefaccioacuten a lentildea es el maacutes usado en la zona genera una alta
contaminacioacuten ambiental por su combustioacuten en material particulado es el
combustible maacutes econoacutemico por unidad de energiacutea y su inversioacuten es accesible
en cambio los equipos de bomba calor tienen un mayor rendimiento energeacutetico
tiene menos impacto al medio ambiente y su inversioacuten es costosa
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
64
Diego Sarabia Meacutendez
La figura 41 (a) muestra las potencias maacuteximas de disentildeo en
climatizacioacuten comparando la liacutenea base con la implementacioacuten de materiales
PCM en vivienda en estudio ubicado en Concepcioacuten Chile A traveacutes de este
anaacutelisis se identificoacute una disminucioacuten en su potencia de disentildeo de 319 (de
263 kW a un 179 kW) con respecto al caso base
Figura 41 (a) Potencia maacutexima disentildeo con y sin PCM en vivienda estudio
Fuente Elaboracioacuten Propia
En la figura 41 (b) y (c) se realizoacute la comparacioacuten de distintos tipos de
materiales PCM con un rango de temperatura de fusioacuten entre 18 degC a 22degC para
determinar cuaacutel es maacutes eficiente en funcioacuten de las variables de disentildeo
emplazamientos y propiedades teacutermicas
Para el primer caso se evaluoacute el sistema de calefaccioacuten a lentildea y el rol
clave de estos materiales PCM es reducir el consumo energeacutetico y el kgCO2
generado por la combustioacuten En los resultados se visualizoacute que el material cambio
fase optimo corresponde al PCM 22HC arrojando una reduccioacuten del consumo
energeacutetico de 341 (de 3694 kWh a un 2434 kWh) en comparacioacuten al caso base
CocinaDormitorioSecundario
DormitorioPrimario
Living-Comedor
Bantildeo
Sin PCM 03 037 047 129 02
Con PCM 017 027 033 087 015
0
02
04
06
08
1
12
14
Dem
ada
En
erge
tica
(k
W)
Potencia Maxima de Disentildeo
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
Para el segundo caso se evaluoacute un sistema de bomba de calor multisplit
al igual que en el caso anterior el material optimo corresponde al PCM 22HC se
observoacute una disminucioacuten de consumo energeacutetico de un 344 (de 688 kWh a un
451 kWh) en comparacioacuten al caso base
Para ambos casos se observoacute una notable reduccioacuten de los consumos
energeacuteticos en estacioacuten friacutea
Figura 41 (b) Caso 1 - Consumo energeacutetico en calefaccioacuten Lentildea con y sin
PCM en vivienda estudio
Fuente Elaboracioacuten Propia
Ene Feb Mar Abr May Jun Jul Ago Sept Oct Nov Dic
Sin PCM 75 79 138 267 477 604 626 498 408 271 147 104
PCM 18 37 34 73 188 424 579 602 440 347 185 85 60
PCM 21 31 27 64 167 397 547 570 405 313 161 71 53
PCM 22 13 11 39 138 354 506 528 357 275 130 49 34
0
200
400
600
800
1000
Co
nsu
mo
Co
mb
ust
ible
(k
Wh
)
Consumo Combustible Lentildea Mensual
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
Figura 41 (c) Caso 2 - Consumo energeacutetico Bomba de calor con y sin PCM en
vivienda estudio
Fuente Elaboracioacuten Propia
Se identificoacute que la temperatura de fusioacuten maacutes baja de los PCM no es
viable en la optimizacioacuten del sistema pasivo en climatizacioacuten podriacutea ser explicado
por las variables temperatura exteriores dependiendo de las condiciones
climaacuteticas por su emplazamiento Por ejemplo de acuerdo con las cargas
maacuteximas de calefaccioacuten se debe a que la energiacutea en invierno aumento
estableciendo las temperaturas de confort teacutermico esta es una variable de
seleccioacuten del PCM que serviraacute para optimizar el disentildeo en funcioacuten del confort
teacutermico disminuyendo demanda energeacutetica perdidas caloriacuteficas y consumos
energeacuteticos de sistemas de calefaccioacuten activos
Seguacuten el estado de arte otro punto importante a comentar es tener en
cuenta que las curvas de entalpia y temperatura tanto para refrigeracioacuten y
calefaccioacuten deben ser lo maacutes cercana posible de lo contrario se produciriacutea una
Ene Feb Mar Abr May Jun Jul Ago Sept Oct Nov Dic
Sin PCM 14 15 26 50 89 112 116 92 78 50 27 19
PCM 18 7 6 14 35 79 107 112 82 64 34 16 11
PCM 21 57 5 12 31 74 101 106 75 58 30 13 10
PCM 22 23 2 72 256 66 936 976 662 511 24 9 63
0
20
40
60
80
100
120
Co
nsu
mo
Co
mb
ust
ible
(k
Wh
)Consumo Combustible Bomba de calor Mensual
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
histeacuteresis o sub enfriamiento y afectariacutea considerablemente el rendimiento del
PCM en su aplicacioacuten
Para la implementacioacuten de sistemas activos sustentables en climatizacioacuten
se demuestra en el estudio que el aporte energeacutetico de los PCM es mantener la
temperatura constante dentro de los espacios interiores y ayudan tambieacuten a bajar
considerablemente los consumos energeacuteticos y es un aporte al medio ambiente
Para sistemas pasivos la eficiencia en los PCM en los muros exteriores
podriacutea incrementarse sugiriendo que haya acristalamiento a base de muros
cortina durante el diacutea lleva al PCM al proceso de cambio de fase de manera
estable en el tiempo debido a su almacenamiento teacutermico (F Ascione RF De
Masi F de Rossi S Ruggiero amp GP Vanoli 2016)
Ademaacutes la disminucioacuten de un 319 en potencia maacutexima de disentildeo para
equipos de climatizacioacuten arrojado en este estudio y un promedio de 33 en
reduccioacuten en consumo energeacutetico en los dos casos de climatizacioacuten propuestos
se puede inferir que los materiales cambio fase es capaz de contribuir a eficiencia
energeacutetica
412 Inversioacuten inicial y costos operativos en sistemas de calefaccioacuten con y sin PCM
Se hizo un anaacutelisis de los principales costos asociados a la adquisicioacuten de
los equipos y operacioacuten de eacutestos No se consideraraacute valor residual o de
salvamiento Para poder comparar la vida uacutetil a usar seraacute de 10 antildeos
Al obtener los valores de consumos energeacuteticos en las simulaciones de
los casos propuestos se visualiza una aproximacioacuten en demostrar el beneficio
econoacutemico que aporta los PCM a los sistemas activos Vease en figura 42
En el caso 1 sistema de calefaccioacuten a lentildea se observoacute una disminucioacuten
en los costos de operacioacuten anual de un 341 (de $88656 a un $58416)
($ 24 por kWh) (BES 2017) y en el caso 2 sistema de climatizacioacuten por bomba
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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calor se observoacute una disminucioacuten en los costos de operacioacuten anual de un 344
(de $72928 a un $47795) ($ 106 por kWh) (BES 2017)
Figura 42 Inversioacuten inicial y costos operativos sistema climatizacioacuten con y sin
PCM en vivienda estudio
Fuente Elaboracioacuten Propia
42 Propuesta de aplicacioacuten PCM a caso base como sistema de actualizacioacuten
Seguacuten los resultados del comportamiento energeacutetico de la vivienda en
estudio con y sin PCM Se identificoacute un enfoque diferente e innovador para
sistemas pasivos de acondicionamiento ambiental o el aporte energeacutetico
significativo de los PCM a los sistemas activos para mantener su temperatura
constante en su operacioacuten
Una correcta ubicacioacuten del PCM a los muros exteriores de una vivienda en
estudio mostro significativamente un ahorro de energiacutea con respecto al caso
base esto se debe a la colocacioacuten del PCM en la particioacuten interna en los muros
exteriores emplazamiento de la vivienda tipo de encapsulacioacuten y orientacioacuten de
los muros con respecto al sol
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
Sin PCM PCM 22HC Inversion
Mil
es d
e p
eso
sInversion inicial y costos operativos en sistema
climatizacion
Caso 1 Sistema Calefaccion Lentildea Caso 2 Sistemas Bomba de Calor
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
El tipo de encapsulacioacuten de acuerdo al panel constructivo mostro que debe
ser macro encapsulacioacuten con materialidad de aluminio para aumentar la
conductividad teacutermica de los materiales cambio fase que era una de sus
desventajas teacutecnicas
A traveacutes de este anaacutelisis se identificoacute que material de cambio de fase se
debe seleccionar de acuerdo a la aplicacioacuten pasiva en vivienda en estudio
considerando variables de seleccioacuten como cineacuteticas fiacutesicas quiacutemicas teacutermicas
y econoacutemicas
Finalmente se observoacute que es posible maximizar la eficiencia de la
energiacutea en mantener la temperatura constante en los espacios interiores con el
aporte energeacutetico de los sistemas pasivos cuando se usa materiales cambio fase
en los muros exteriores de la vivienda en estudio Ademaacutes el PCM con
temperatura de fusioacuten cercana a la temperatura confort logra un mayor
rendimiento energeacutetico seguacuten su emplazamiento y reduce considerablemente los
costos de operacioacuten de un sistema climatizacioacuten activo aportaacutendole energiacutea
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
CONCLUSIONES
El trabajo reciente propone un anaacutelisis de optimizacioacuten del PCM a una
vivienda en estudio como una aplicacioacuten de actualizacioacuten a sistemas pasivos y
se evaluoacute el comportamiento energeacutetico de dos sistemas activos de climatizacioacuten
mediante el uso del software EnergyPlus
En este estudio se describe la seleccioacuten de materiales de cambio fase a
utilizar la encapsulacioacuten adecuada en base a la aplicacioacuten y propiedades de
disentildeo
En el anaacutelisis del comportamiento energeacutetico de la vivienda en estudio se
observoacute que el PCM adecuado seguacuten la temperatura de fusioacuten estaacute en el rango
de 18 a 22 degC cercano a la temperatura de confort teacutermico Para este estudio se
escogioacute el PCM 22HC ya que su comportamiento es ideal para la vivienda en
estudio arrojando un 319 (de 263 kW a un 179 kW) de reduccioacuten de
potencias maacuteximas de disentildeo en climatizacioacuten De acuerdo al PCM escogido se
analizoacute el comportamiento del consumo energeacutetico en dos sistemas de
climatizacioacuten Caso 1 Sistema calefaccioacuten a lentildea mostro una reduccioacuten del
consumo energeacutetico de 341 (de 3694 kWh a un 2434 kWh) Para el segundo
caso se evaluoacute un sistema de bomba de calor multisplit al igual que en el caso
anterior el material optimo corresponde al PCM 22HC se observa una
disminucioacuten de consumo energeacutetico de un 344 (de 688 kWh a un 451 kWh) en
comparacioacuten al caso base lo que implica una notable reduccioacuten de los consumos
energeacuteticos en la estacioacuten friacutea Ademaacutes junto con los valores de consumo
energeacutetico se evaluoacute los costos de operacioacuten anual arrojando una disminucioacuten
promedio de 34 debido al aporte de los PCM
En general estos resultados sostienen firmemente que es posible mejorar
la eficiencia del ahorro energeacutetico cuando los PCM se instala en los muros
exteriores maximizando los ahorros energeacuteticos Por lo tanto para lograr la
optimizacioacuten de la envolvente de la vivienda con aplicacioacuten PCM la temperatura
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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de fusioacuten fue de 22 deg C y el macro encapsulamiento es de material de aluminio
mejorando su transmitancia teacutermica del flujo de calor en los paneles
constructivos dando como resultado una adecuada actualizacioacuten a la aplicacioacuten
y a la instalacioacuten de los PCM a la vivienda en estudio ubicada en Concepcioacuten
Chile
Los costos de implementacioacuten en la tecnologiacutea pasiva como los PCM tiene
un elevado valor debido al costo del transporte (Alemania) se podriacutea justificar
encargando por mayor estos insumos y aplicarlo a un lote de viviendas
Es importante aplicar el PCM optimizado considerando el enfoque y
variables de disentildeo como la condicioacuten climaacutetica temperatura de fusioacuten de PCM
encapsulamiento y irradiacioacuten solar
La implementacioacuten de esta tecnologiacutea demuestra que aporta en la
reduccioacuten de material particulado en zonas criacuteticas en contaminacioacuten y las
emisiones de CO2 aportando al medio ambiente
Se deberaacute tener en cuenta que las curvas de entalpia y temperatura de los
PCM tanto para refrigeracioacuten y calefaccioacuten deben ser lo maacutes cercana posible de
lo contrario se produciriacutea una histeacuteresis o subenfriamiento y afectariacutea
considerablemente el rendimiento del PCM en su aplicacioacuten
Como investigacioacuten adicional queda por explorar la optimizacioacuten de PCM
aplicado a paredes exteriores con persianas de acristalamiento o invernaderos
adosados al poseer mayor captacioacuten de energiacutea solar tendraacute un mayor
almacenamiento energeacutetico y retraso teacutermico en los muros aplicado con PCM y
obtener una segmentacioacuten de los datos climaacuteticos por zonas para investigar el
comportamiento energeacutetico en aplicaciones pasivas
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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2
Diego Sarabia Meacutendez
RESUMEN
Los materiales de cambio de fase (PCM) juegan un papel importante en la
reduccioacuten del consumo energeacutetico en el sector de la construccioacuten Se consideran
prometedores para almacenar y descargar energiacutea teacutermica Usando el software
Energy Plus se evaluoacute el comportamiento teacutermico de dos sistemas de
climatizacioacuten en una vivienda de estudio aplicando materiales de cambio de fase
a las paredes exteriores
Se observoacute que la temperatura de fusioacuten de 22 degC cercana a la
temperatura de confort teacutermico es la maacutes oacuteptima esto ayudo a mejorar el
rendimiento del material PCM evitando la histeacuteresis o sub-enfriamiento
Ademaacutes se configuroacute el sistema constructivo del muro exterior con
respecto a la ubicacioacuten del PCM en la envolvente interior Tambieacuten el disentildeo de
la solucioacuten de construccioacuten con PCM estaacute optimizado en relacioacuten con los datos
de zonificacioacuten y soluciones constructivas del MINVU Para este estudio se
escogioacute el PCM 22HC ya que su comportamiento es ideal para la vivienda en
estudio arrojando un 319 (de 263 kW a un 179 kW) de reduccioacuten de
potencias maacuteximas de disentildeo en climatizacioacuten De acuerdo al PCM escogido se
analizoacute el comportamiento del consumo energeacutetico en dos sistemas de
climatizacioacuten Caso 1 Sistema calefaccioacuten a lentildea mostro una reduccioacuten del
consumo energeacutetico de 341 (de 3694 kWh a un 2434 kWh) Para el segundo
caso se evaluoacute un sistema de bomba de calor multisplit al igual que en el caso
anterior el material optimo corresponde al PCM 22HC se observa una
disminucioacuten de consumo energeacutetico de un 344 (de 688 kWh a un 451 kWh) en
comparacioacuten al caso base lo que implica una notable reduccioacuten de los consumos
energeacuteticos en la estacioacuten friacutea Ademaacutes junto con los valores de consumo
energeacutetico se evaluoacute los costos de operacioacuten anual arrojando una disminucioacuten
promedio de 34 debido al aporte de los PCM
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
3
Diego Sarabia Meacutendez
Estos datos demostraron una reduccioacuten significativa en energiacutea y
contribuyen a la eficiencia energeacutetica Se puede inferir que los PCM aportan
significativamente al medio ambiente en liberar menos cantidad de material
particulado reducir el consumo de combustibles foacutesiles y disminuir el CO2
liberado a la atmosfera
Palabras clave Materiales de cambio de fase Sustentabilidad
Construccioacuten de simulacioacuten teacutermica Eficiencia energeacutetica Vivienda de alta
inercia teacutermica
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
4
Diego Sarabia Meacutendez
ABSTRACT
Phase change materials (PCM) play an essential role in reducing energy
consumption in the construction sector They are considered promising for storing
and discharging thermal energy Using the Energy Plus software the thermal
behavior of two air conditioning systems in a study home was evaluated by
applying phase change materials to the exterior walls
It was observed that the melting temperature of 22 deg C close to the thermal
comfort temperature is the most optimal this helped to improve the performance
of the PCM material avoiding hysteresis or sub-cooling
Besides the construction system of the exterior wall was configured
concerning the location of the PCM in the interior envelope Also the design of
the construction solution with PCM is optimized in relation to the zoning data and
construction solutions of the MINVU For this study the PCM 22HC was chosen
as its behavior is ideal for the dwelling under study yielding a 319 (from 263
kW to 179 kW) reduction in maximum design powers in air conditioning
According to the chosen PCM the behavior of energy consumption in two air
conditioning systems was analyzed Case 1 Wood heating system showed a
reduction in energy consumption of 341 (from 3694 kWh to 2434 kWh) For the
second case a multisplit heat pump system was evaluated as in the previous
case the optimal material corresponds to the PCM 22HC a decrease in energy
consumption of 344 (from 688 kWh to 451 kWh kWh) compared to the base
case which implies a notable reduction in energy consumption in the cold season
Besides together with the energy consumption values the annual operating costs
were evaluated yielding an average decrease of 34 due to the contribution of
the PCM
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
5
Diego Sarabia Meacutendez
These data demonstrated a significant reduction in energy and contribute
to energy efficiency It can be inferred that PCM contributes significantly to the
environment in releasing less particulate matter reducing the consumption of
fossil fuels and reducing the CO2 released into the atmosphere
Key words Phase change materials Sustainability Thermal simulation
construction Energy efficiency High thermal inertia housing
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
6
Diego Sarabia Meacutendez
IacuteNDICE DE CONTENIDOS
AGRADECIMIENTOS 1
RESUMEN 2
ABSTRACT 4
IacuteNDICE DE CONTENIDOS 6
INDICE DE FIGURAS 9
INDICE DE TABLAS 11
INTRODUCCION 12
CAPITULO I ENUNCIADO DE LA INVESTIGACIOacuteN 15
11 Planteamiento del problema 16
12 Preguntas de investigacioacuten 19
13 Hipoacutetesis 19
14 Objetivos 20
142 Objetivos especiacuteficos 20
CAPITULO II MARCO TEOacuteRICO 21
21 Marco Teoacuterico 22
22 Materiales con cambio de fase (PCM) 22
221 Funcionamiento 23
222 Propiedades 24
223 Almacenamiento de energiacutea teacutermica 25
224 Clasificacioacuten 26
2241 PCM inorgaacutenicos sales hidratadas 27
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
7
Diego Sarabia Meacutendez
2242 PCM orgaacutenicos parafinas aacutecidos grasos y mezclas orgaacutenicas 29
22421 Parafinas 31
22422 Aacutecidos Grasos 31
22423 Mezclas euteacutecticas 32
23 Criterios de seleccioacuten de los Materiales con Cambio se Fase 33
24 Vida uacutetil del material cambio fase 34
25 Aplicacioacuten en la construccioacuten 35
26 Encapsulacioacuten 37
261 Microcaacutepsulas 38
262 Macrocaacutepsulas 39
CAPITULO III MEacuteTODOS Y METODOLOGIacuteA 40
31 Herramienta de simulacioacuten de energiacutea 41
32 Descripcioacuten Vivienda en estudio 43
321 Meacutetodo de zona en software EnergyPlus 46
33 Datos meteoroloacutegicos 47
34 Jornadas de ocupacioacuten 48
35 Configuracioacuten envolvente por elemento y sistemas de climatizacioacuten 49
36 Caracterizacioacuten PCM 51
361 Seleccioacuten de Materiales Cambio Fase 52
362 Configuracioacuten del PCM en EnergyPlus 54
363 Cotizacioacuten PCM RT21 55
37 Caracterizacioacuten Macro encapsulacioacuten 56
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
371 Cotizacioacuten Macro encapsulacioacuten 56
38 Validacioacuten muro constructivo con PCM 57
381 Cumplimiento de la OGUC y Resistencia al fuego 58
CAPITULO IV RESULTADOS Y DISCUSIOacuteN 62
41 Comportamiento Energeacuteticos de los materiales cambio fase 63
411 Rendimiento energeacutetico de calefaccioacuten con y sin PCM 63
412 Inversioacuten inicial y costos operativos en sistemas de calefaccioacuten con y
sin PCM 67
42 Propuesta de aplicacioacuten PCM a caso base como sistema de
actualizacioacuten 68
CONCLUSIONES 70
REFERENCIAS 72
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
9
Diego Sarabia Meacutendez
INDICE DE FIGURAS
Figura 21 Diagrama de proceso de cambio de fase Hielo ndash Vapor 23
Figura 22 Clasificacioacuten de los Materiales Cambio Fase 26
Figura 23 Estabilizacioacuten de la temperatura interior de un edificio por el efecto
de la inercia teacutermica 36
Figura 24 Espesor requerido de distintos materiales Vs Energiacutea termina 36
Figura 25 Microcaacutepsulas 38
Figura 26 Caacutepsulas de macro PCM (Contenedor plano Esfera Placas de
barra doble) 40
Figura 31 Descripcioacuten Vivienda en estudio 44
Figura 32 Modelo de zona en casa de estudio 46
Figura 33 Zona y sub-superficie de vivienda en estudio 47
Figura 34 Configuracioacuten datos meteoroloacutegico 48
Figura 35 Planilla de uso horario de un recinto 49
Figura 36 Planilla configuracioacuten envolvente por elemento 50
Figura 37 Planilla configuracioacuten rango de temperatura confort teacutermico 51
Figura 38 Planilla configuracioacuten del tipo de sistema de climatizacioacuten 51
Figura 39 Configuracioacuten del PCM en el software 54
Figura 310 Cotizacioacuten del material RT21 55
Figura 311 Modulo Almacenamiento Macro encapsulacioacuten 56
Figura 312 Cotizacioacuten Macro encapsulacioacuten 57
Figura 313 Sistema Constructivo Muro exterior con PCM en vivienda estudio
61
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
Figura 41 (a) Potencia maacutexima disentildeo con y sin PCM en vivienda estudio 64
Figura 41 (b) Caso 1 - Consumo energeacutetico en calefaccioacuten Lentildea con y sin
PCM en vivienda estudio 65
Figura 41 (c) Caso 2 - Consumo energeacutetico Bomba de calor con y sin PCM
en vivienda estudio 66
Figura 42 Inversioacuten inicial y costos operativos sistema climatizacioacuten con y sin
PCM en vivienda estudio 68
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
INDICE DE TABLAS
Tabla 21 Ventajas e inconvenientes de los PCM inorgaacutenicos 28
Tabla 22 Temperatura de fusioacuten de algunas sales hidratadas 29
Tabla 23 Ventajas e inconvenientes de los PCM orgaacutenicos 30
Tabla 24 Temperatura de fusioacuten de algunas parafinas 31
Tabla 25 Temperatura de fusioacuten de algunos aacutecidos grasos 32
Tabla 26 Clasificacioacuten de los PCMs 32
Tabla 27 Ventajas e inconvenientes de las microcapsulas 38
Tabla 28 Ventajas e inconvenientes de las Macrocaacutepsulas 39
Tabla 31 Resumen superficies de los distintos espacios vivienda en estudio
44
Tabla 32 Cumplimiento de la envolvente elementos constructivos de la
vivienda en estudio 44
Tabla 33 Especificaciones teacutecnicas de PCM a utilizar 52
Tabla 34 Clasificacioacuten de los edificios seguacuten su destino superficie edificada y
nuacutemero de pisos 58
Tabla 35 Resistencia al fuego para diferentes elementos de construccioacuten 59
Tabla 36 Tabique perimetral estructura madera en vivienda en estudio 60
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
INTRODUCCION
Debido al avance de la ciencia y la tecnologiacutea la calidad de vida y los
sistemas de produccioacuten en la industria han mejorado lo que ha aumentado el
consumo mundial de energiacutea en paiacuteses industrializados y las economiacuteas
emergentes Este aumento en el consumo de energiacutea tiene efectos nocivos sobre
el medio ambiente como el aumento de las emisiones de gases a la atmoacutesfera
entre otros Por lo tanto los paiacuteses estaacuten promoviendo cada vez maacutes nuevas
poliacuteticas energeacuteticas y promoviendo dos tipos de acciones para reducir las
emisiones entre otras aumentar la proporcioacuten de energiacutea renovable y promover
medidas de ahorro y eficiencia energeacutetica Debido a las crecientes
preocupaciones sobre el consumo de energiacutea se necesita urgentemente maacutes
investigacioacuten
Entre las medidas de eficiencia energeacutetica surge la necesidad de estudiar
el uso de energiacutea solar a traveacutes de la aplicacioacuten de materiales de cambio de fase
(PCM seguacuten sus siglas en ingleacutes Phase Change Materials) Estudios recientes
sobre materiales de cambio de fase han demostrado que hay varios aspectos
para mejorar en la aplicacioacuten y caracterizacioacuten de estos materiales (Anisur
2013)
Actualmente el sector de la construccioacuten contribuye considerablemente al
consumo total de energiacutea y las emisiones de gases de efecto invernadero a la
atmoacutesfera Los edificios consumen maacutes del 40 de la energiacutea primaria del
mundo que es responsable del 30 de las emisiones de gases de efecto
invernadero (Thorpe 2011)
A nivel local el sector residencial es responsable de las altas demandas
energeacuteticas equivalente a 23 del consumo energeacutetico nivel paiacutes Del parque
habitacional existente en Chile 75 fue construido sin consideraciones teacutermicas
y de eficiencia energeacutetica dicha situacioacuten provoca que el usuario asuma el costo
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
13
Diego Sarabia Meacutendez
del consumo energeacutetico en calefaccioacuten y refrigeracioacuten para mantener la vivienda
en zona confort (Wegertseder 2015)
Tradicionalmente el consumo de energiacutea se reduce mediante el uso de
aislamiento teacutermico de alta calidad en la envolvente de un edificio para reducir la
transferencia de calor entre el interior y exterior (Zhou D Tian Y Qu Y amp
Chen Y K 2016) Un aumento en la eficiencia de los sistemas de calefaccioacuten
ventilacioacuten y aire acondicionado (HVAC) tambieacuten ha sido responsable de una
reduccioacuten en el consumo de energiacutea sin embargo las mejoras en la eficiencia
energeacutetica no deben limitarse a estos enfoques
Un estudio de investigacioacuten describioacute que el aumento de la inercia teacutermica
del edificio reduce la cantidad de energiacutea utilizada para calefaccioacuten y refrigeracioacuten
(Ling H Chen C Qin H Wei S Lin J Li N) ya que reduce las
fluctuaciones en la temperatura interior ayudando a mantener el espacio interno
dentro del rango de confort teacutermico y reduciendo la necesidad de utilizar sistemas
de aire acondicionado
El almacenamiento de energiacutea se puede implementar mediante calor
sensible aumentando y disminuyendo la temperatura de los recubrimientos de
edificios o mediante calor latente Con la inclusioacuten de materiales de cambio de
fase conduce a una mayor densidad de energiacutea teacutermica Los materiales de
cambio de fase estaacuten asociados con el almacenamiento de calor latente (LHS)
con su principal ventaja de tener una alta densidad de almacenamiento a
temperatura constante Por lo tanto los materiales de cambio de fase han
demostrado que su almacenamiento de energiacutea teacutermica latente se puede utilizar
para calentar y enfriar a sistemas de construccioacuten pasivos o activos (B Zalba J
Marin L Cabeza y H Mehling 2003)
Investigaciones maacutes recientes han estudiado sus propiedades fiacutesicas
quiacutemicas cineacuteticas y especialmente teacutermicas para seleccionar el material de
cambio de fase maacutes adecuado para la presente investigacioacuten (Ramiacuterez A
Santos A amp Gonzaacutelez N 2012)
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
14
Diego Sarabia Meacutendez
El intereacutes sostenido en comprender la importancia de los materiales de
cambio fase llevoacute a investigar el disentildeo del elemento constructivo con los PCM
incorporados para reducir la demanda energeacutetica de la vivienda en estudio y
contribuir a mejoras de condiciones de habitualidad Aquiacute se utilizoacute la
herramienta simulacioacuten Energy Plus para evaluar el rendimiento teacutermico de una
vivienda en estudio ubicada en la ciudad de Concepcioacuten de la regioacuten del Biacuteo-Biacuteo
Chile
En este estudio se demostroacute que es posible maximizar la eficiencia del
ahorro de energiacutea en sistemas activos de climatizacioacuten al optimizar el PCM
aplicado a las paredes exteriores Se identificoacute que los materiales de cambio de
fase son una contribucioacuten a la implementacioacuten del acondicionamiento pasivo
debido a su gran almacenamiento energeacutetico
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
CAPITULO I ENUNCIADO DE LA INVESTIGACIOacuteN
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
11 Planteamiento del problema
En la actualidad las necesidades energeacuteticas a nivel mundial han
aumentado de manera significativa por distintas razones Hoy en diacutea los edificios
consumen maacutes del 40 de la energiacutea primaria del mundo que son responsables
del 30 de las emisiones de gases de efecto invernadero (Thorpe 2011)
A nivel local el sector residencial es responsable de las altas demandas
energeacuteticas equivalente a 23 del consumo energeacutetico nivel paiacutes Del parque
habitacional existente en Chile 75 fue construido sin consideraciones teacutermicas
y de eficiencia energeacutetica dicha situacioacuten provoca que el usuario asuma el costo
del consumo energeacutetico para mantener la vivienda en zona confort (Wegertseder
2015)
Se estima que el sector de la construccioacuten es el responsable de generar
el 33 del total de emisiones de gases de efecto invernadero (MINVU 2018)
A traveacutes de un estudio realizado el antildeo 2019 por la Caacutemara Chilena de
la Construccioacuten sobre los usos de la energiacutea en el sector residencial declara que
el 53 del consumo total de la vivienda chilena es destinado a calefaccioacuten (CDT
2019)
Una forma eficiente de reducir el consumo de energiacutea para calefaccioacuten o
refrigeracioacuten en los espacios es aumentar la inercia teacutermica de un edificio De
esta manera las temperaturas interiores son menos sensibles a las variaciones
de la temperatura exterior y se requiere menos energiacutea para mantenerlas en el
rango de confort teacutermico Un edificio con una estructura de marco de concreto
tendraacute una mayor inercia teacutermica que un edificio con una estructura de marco de
acero o madera (Soares N Costa J J Gaspar A R amp Santos P 2013) Una
forma de aumentar la inercia teacutermica de un edificio es utilizar el almacenamiento
de calor latente (LHS) que es la energiacutea que almacena un material cuando sufre
un cambio de fase (Akeiber H Nejat P Majid M Z A Wahid M A
Jomehzadeh F Zeynali Famileh IZaki S A 2016)
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
17
Diego Sarabia Meacutendez
El material de cambio de fase (PCM) es un tipo de material que
experimenta un cambio de fase en este caso de liacutequido a soacutelido a una
temperatura dentro del rango de confort teacutermico Este tipo de material tiene la
capacidad de almacenar grandes cantidades de energiacutea en comparacioacuten con los
materiales de construccioacuten tradicionales que solo almacenan calor sensible Por
ejemplo una pared que contiene PCM con 25 mm de espesor almacena
aproximadamente la misma energiacutea que una pared de concreto con 420 mm de
espesor (Al-Saadi S N amp Zhai Z 2013) Los PCM tienen un gran potencial
para aumentar la inercia teacutermica de un edificio debido a su gran LHS por lo tanto
son especialmente uacutetiles en edificios de construccioacuten livianas en seco como
estructuras reticulares en madera o acero galvanizados (Marin P Saffari M de
Gracia A Zhu X Farid M M Cabeza L F amp Ushak S 2016) Esto permite
que el edificio tenga menor peso un aacuterea uacutetil mayor y auacuten mantenga una alta
inercia teacutermica
Cuando los PCM cambian su estado de liacutequido a soacutelido liberan calor
latente y cuando cambian de soacutelido a liacutequido absorben calor latente Cuando este
proceso ocurre a una temperatura entre 19-27 degC el material contribuye a
aumentar el confort teacutermico porque ayuda a mantener la temperatura interna
dentro de este rango Durante el diacutea cuando hay demasiadas ganancias de
radiacioacuten solar este material cambia su fase de soacutelido a liacutequido absorbiendo
calor y evitando un aumento significativo de la temperatura interior Por la noche
cuando la temperatura exterior baja el material cambia su fase de liacutequido a
soacutelido liberando calor y evitando una gran disipacioacuten de energiacutea en el interior de
la vivienda (Jamil H Alam M Sanjayan J amp Wilson J 2017)
Durante el verano puede ocurrir un sobrecalentamiento en el muro y
hacer que se use un PCM que se derrita a altas temperaturas (alrededor de
26 degC) ya que evitaraacute que la temperatura de una habitacioacuten elevaacutendose por
encima del rango de confort teacutermico Si el objetivo es la estabilizacioacuten de la
temperatura interior en la zona de confort un PCM que se derrita a 23 degC deberiacutea
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
18
Diego Sarabia Meacutendez
ser la mejor opcioacuten En el invierno puede ser necesario evitar que la temperatura
de una habitacioacuten baje por debajo del rango de confort teacutermico y en este caso
se recomienda un PCM que solidifique alrededor de 21 degC (Soares N Gaspar
A R Santos P amp Costa J 2014)
Esta tecnologiacutea no solo tiene el potencial de ahorrar cantidades
considerables de energiacutea y emisiones de CO2 sino que tambieacuten se puede utilizar
para aprovechar los precios pico de electricidad utilizando las unidades de aire
acondicionado cuando hay una menor demanda en la red eleacutectrica Por ejemplo
en invierno la unidad de aire acondicionado (AC) podriacutea funcionar durante la
noche produciendo calor que seriacutea absorbido por el tablero PCM y luego liberado
por eacutel durante el diacutea cuando los precios de la electricidad son mucho maacutes altos
(Devaux P amp Farid M 2017) Esto tambieacuten como la ventaja de evitar el ruido y
las corrientes de aire causadas por las unidades de CA durante las horas de
trabajo de una oficina
Aunque esta tecnologiacutea tiene un gran potencial en almacenar energiacutea
con respecto a otros materiales existe el problema de la baja transferencia de
calor porque estos materiales generalmente tienen baja conductividad teacutermica lo
que hace que la absorcioacuten y liberacioacuten de calor por parte del PCM sea mucho
maacutes difiacutecil (Fan L amp Khodadadi J M 2011)
Para aprovechar la gran capacidad de almacenamiento de calor latente
la temperatura de una zona debe estar cerca de la temperatura de cambio de
fase de lo contrario un PCM solo almacena calor sensible que es insignificante
en comparacioacuten al calor latente (Chwieduk 2013)
Investigadores concluyen sobre acondicionamiento teacutermico en
envolventes de viviendas utilizando materiales de cambio de fase que la
implementacioacuten adecuada de los PCM en una edificacioacuten puede un 35 reducir
el consumo energeacutetico y por lo tanto es posible usar equipos de
acondicionamiento teacutermico de menor potencia e incluso prescindir de ellos (Bello
R E Muntildeoz M M Vasco C 2015)
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
19
Diego Sarabia Meacutendez
En el desarrollo de aplicaciones para los PCM un investigador disentildeoacute un
muro con material de cambio de fase y para probar su funcionamiento utilizoacute dos
habitaciones ideacutenticas En la primera habitacioacuten los muros teniacutean un enlucido de
yeso normal y en la segunda habitacioacuten el muro poseiacutea una placa de yeso
revestido con micro encapsulacioacuten de PCM (50 butil estearato y 48 palmitato
de butilo) Resultoacute que la habitacioacuten con material cambio de fase una reduccioacuten
energeacutetica de 22 (Scalat S Banu D Hawes D Paris J Haghighata F
Feldman D 1996)
Los investigadores a nivel mundial han creado estrategias para
solucionar el consumo energeacutetico En Chile auacuten no se analiza en forma
sistemaacutetica considerando que seriacutea de gran ayuda para disminuir el consumo
energeacutetico residencial
Por todo lo anteriormente mencionado se establece que esta
investigacioacuten estaraacute orientada al estudio de materiales con cambio de fase
simulando su comportamiento teacutermico de una vivienda en estudio ubicada en la
ciudad de Concepcioacuten de la regioacuten del Biacuteo-Biacuteo utilizando el software Energy Plus
12 Preguntas de investigacioacuten
iquestEs posible disminuir la demanda energeacutetica de una vivienda en estudio
incorporando materiales con cambio de fase
iquestQueacute material PCM es conveniente utilizar en los muros de la vivienda en
estudio
iquestQueacute comportamiento tendraacuten los PCM en la simulacioacuten
13 Hipoacutetesis
Se puede mejorar la habitabilidad y reducir un 30 la demanda energeacutetica
de una vivienda en estudio en la ciudad de Concepcioacuten mejorando el
almacenamiento teacutermico de sus muros incorporando material con cambio de fase
(PCM)
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
20
Diego Sarabia Meacutendez
14 Objetivos
141 Objetivo general
Proponer una metodologiacutea de evaluacioacuten en funcioacuten de la realidad local
que permitiraacute analizar la potencialidad en aplicar los materiales cambio de fase
en las construcciones chilenas contribuyendo a mejorar las condiciones de
habitabilidad
142 Objetivos especiacuteficos
Identificar materiales con cambio de fase (PCM) utilizados como estrategia
de calefaccioacuten pasiva en edificacioacuten Con la validacioacuten de todos los
reglamentos en Chile
Definir el sistema constructivo del muro exterior en cuanto a la ubicacioacuten
del PCM
Definir materiales con cambio de fase en relacioacuten de sus propiedades
teacutermicas para realizar simulacioacuten energeacutetica
Definir metodologiacutea de caacutelculo y estimar ahorros energeacuteticos para la zona
en funcioacuten del material base
Obtener simulaciones de demanda energeacutetica para la vivienda en estudio
con y sin materiales de cambio de fase incorporados en sus muros
mediante el software Energy Plus
Optimizar el disentildeo de la solucioacuten constructiva con PCM en relacioacuten a los
datos de la zonificacioacuten
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
CAPITULO II MARCO TEOacuteRICO
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
21 Marco Teoacuterico
A continuacioacuten se nombraraacute conceptos esenciales que aborda la
investigacioacuten tales como aislacioacuten teacutermica conductividad teacutermica confort
teacutermico y Inercia teacutermica
Cabe de destacar que la inercia teacutermica juega un papel importante en los
sistemas de calefaccioacuten pasiva ya que el retraso teacutermico puede ser mayor o
menor dependiendo el espesor y materialidad
La inercia teacutermica permite ir liberando el calor acumulado en los elementos
compuestos por materiales pesados en la vivienda de manera tal que durante
la noche cuando la temperatura desciende esta baja sea amortiguada por el calor
cedido
En el verano la envolvente se encuentra expuesta a la radiacioacuten solar y al
soleamiento por lo tanto debe ser capaz de almacenar el calor obtenido desde
el exterior y asiacute evitar que la temperatura en el interior del recinto sea elevada
durante el diacutea generando una peacuterdida de confort (CCHC 2010)
22 Materiales con cambio de fase (PCM)
Un PCM es una sustancia capaz de almacenar y liberar energiacutea del medio
que le rodea manteniendo la temperatura constante durante la transferencia de
calor Este intercambio de energiacutea se denomina calor latente de un material y se
produce durante el cambio de fase del mismo El intereacutes de estos materiales es
que durante el cambio de fase la temperatura media se mantiene constante
mientras el material absorbe o libera energiacutea durante la etapa de fusioacuten o
solidificacioacuten del material Esto supone una mayor densidad energeacutetica en este
proceso respecto a un intercambio por calor sensible
En una investigacioacuten sobre PCM afirma que estos mediante su calor
latente de fusioacuten almacenan de 5 a 14 veces maacutes calor por unidad de volumen
que materiales por almacenamiento de calor sensible como el agua albantildeileriacutea
o rocas entre otras (Sharma 2009)
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
23
Diego Sarabia Meacutendez
Para la investigacioacuten se estudioacute materiales cambio fase de estado liacutequido-
solido ya que aunque la cantidad de energiacutea almacenada es inferior que entre
otros cambios de estado (solido-gas) la variacioacuten de volumen del estado es
menor
221 Funcionamiento
La mejor forma para explicar el funcionamiento de estos materiales es
estudiando el proceso de cambio de fase del agua en estado liacutequido el agua va
aumentando su temperatura progresivamente hasta alcanzar los 100degC Una vez
alcanza esta temperatura empieza su cambio de estado en el cual absorberaacute
calor pero mantendraacute una temperatura constante de 100degC hasta que finalice su
cambio de fase y todo el liacutequido se haya convertido en vapor De manera inversa
ocurre cuando la temperatura del agua disminuye hasta alcanzar los 0degC En este
caso el agua empezaraacute a liberar calor y durante este proceso mantendraacute su
temperatura constante en 0degC hasta que complete su solidificacioacuten y todo el
liacutequido se haya convertido en hielo (B Zalba J Marin L Cabeza y H Mehling
2003)
En la Figura 21 se observa coacutemo la temperatura se mantiene constante
en 0degC formando una recta horizontal durante su cambio de fase y posteriormente
en 100degC hasta que se convierte en vapor
Figura 21 Diagrama de proceso de cambio de fase Hielo ndash Vapor
Fuente (B Zalba J Marin L Cabeza y H Mehling 2003)
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
24
Diego Sarabia Meacutendez
Del mismo modo actuacutean los PCM cada uno tiene su propia temperatura
de cambio de fase y gracias a las variaciones de temperatura entre el diacutea y la
noche ocurren los ciclos de fusioacuten y solidificacioacuten de estos materiales resultando
en la absorcioacuten maacutexima de energiacutea durante el diacutea cuando las temperaturas
suben y la disipacioacuten de eacutesta en la noche cuando la temperatura ambiente baja
La energiacutea utilizada para cambiar el estado del material dado que la temperatura
de cambio de fase es aproximada a la temperatura ambiente de confort deseada
daraacute lugar a un clima interior maacutes estable y coacutemodo asiacute como tambieacuten reduciraacute
las cargas de enfriamiento y calefaccioacuten en horas pico especialmente en
aquellas edificaciones con baja masa teacutermica (S E Kalnaes and B P Jelle
2015)
222 Propiedades
A continuacioacuten se describiraacuten las propiedades maacutes relevantes que definen un
material de cambio de fase (Oroacute 2012)
a) Propiedades Termofisica
Temperatura de fusioacuten (Tf) en el rango de funcionamiento seguacuten la
aplicacioacuten
Alto calor latente de fusioacuten (ΔHf) por unidad de volumen
Alto calor especiacutefico para proporcionar calor sensible adicional
significativo
Alta conductividad teacutermica en fase soacutelida y liacutequida (buena transferencia de
calor)
Baja variacioacuten de volumen en el cambio de fase y baja presioacuten de vapor a
la temperatura de funcionamiento
Fusioacuten congruente del material de cambio de fase con cada ciclo de
solidificacioacutenfusioacuten con el miacutenimo sub-enfriamiento
Cambio de fase ciclo continuo con termino de vida uacutetil
Alta densidad
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
25
Diego Sarabia Meacutendez
b) Propiedades quiacutemicas
Ciclo de solidificacioacutenfusioacuten reversible y completo
Baja degradacioacuten despueacutes de un elevado nuacutemero de ciclos de
fusioacutensolidificacioacuten
No corrosivo para los materiales encapsulados
No toacutexico no inflamable y no explosivo
c) Econoacutemicas
Abundante y disponible
Rentable en relacioacuten al ahorro energeacutetico y costos del material
Faacutecil reciclaje y tratamiento quiacutemicos
223 Almacenamiento de energiacutea teacutermica
La necesidad de almacenamiento energeacutetico y de buscar formas de
acondicionamiento pasivo es lo que inspira a la investigacioacuten a centrarse en el
almacenamiento teacutermico Es fundamental para el desarrollo del paiacutes disminuir la
demanda energeacutetica sin sacrificar el confort (PRIEN 2002)
En esta seccioacuten de la investigacioacuten se daraacute a conocer las formas de
almacenamiento teacutermico existentes y dando eacutenfasis al almacenamiento
energeacutetico por calor latente donde pertenecen los materiales de cambio fase
(PCM)
El equilibrio termodinaacutemico de los PCM se debe principalmente a los
intercambios de calor con el entorno externo El tiempo para que el PCM alcance
el nuevo equilibrio termodinaacutemico es el tiempo necesario para que el calor sea
intercambiado con el espacio a climatizar Los paraacutemetros baacutesicos de los
materiales de cambio de fase incluyen seguacuten ecuacioacuten (1)
bull Capacidad caloriacutefica [J kg]
119876 = int 119862119901119904 119889119905 + 119862119898 + int 119862119901119897 119889119905 cong 119862119901119904(119879119898 minus 1198791) + 119862119898 + 1198792
119879119898
119879119898
1198791
119862119901119897(1198792 minus 1198791)
Ec 1
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
Donde 119862119901119904 o 119862119901119897 Calor especiacutefico soacutelido y liacutequido kJ(kg times K) 119862119898 Calor
de transformacioacuten de fase (fusioacuten) kJ(kg times K) Tm - temperatura de transicioacuten
de fase (fusioacuten) T1 T2 rango de temperatura de funcionamiento de operacioacuten
224 Clasificacioacuten
Actualmente existe un gran nuacutemero de materiales cambio fase que han
sido investigados debido a que poseen una temperatura y un alto calor latente
de fusioacuten dentro del rango operacional deseado sin embargo exceptuando por
esta caracteriacutestica la mayoriacutea de estos materiales no satisfacen los otros
criterios necesarios para un medio de almacenamiento adecuado (Sharma
2009)
Aquellos que siacute responden a estas prestaciones y se encuentran disponibles en
el mercado pueden ser clasificados en tres grandes grupos orgaacutenicos
inorgaacutenicos y euteacutecticos (V Tyagi amp D Buddhi 2007)
Figura 22 Clasificacioacuten de los Materiales Cambio Fase
Fuente Elaboracioacuten Propia
Materiales Cambio Fase
Organico
Parafina Acido Graso
Inorganico
Sal Hidratada
Metalico
Eutectico
Inorganico -Inorganico
Inorganico -Organico
Organico -Organico
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
Los materiales de cambio de fase liquido-solido maacutes comunes estaacuten en el
rango de temperaturas entre 20degC y 80 degC son las ceras de parafina sales
hidratadas mezclas euteacutecticas y aacutecidos grasos
Las ceras de parafina estaacuten disponibles en el mercado pero su calor
latente (hasta 200 kJkg) es solo la mitad del de las sales hidratadas
Las sales hidratadas son maacutes econoacutemicas que las ceras de parafina y
tambieacuten estaacuten disponibles en el mercado pero tienen algunas desventajas como
las bajas temperaturas de fusioacuten o la corrosioacuten en contacto con metales
En las mezclas euteacutecticas intervienen dos componentes con punto de
fusioacuten (solidificacioacuten) maacutes bajo que el que poseen los compuestos
individualmente Esto hace que la mezcla alcance el punto de congelacioacuten maacutes
bajo posible y ambos se solidifiquen a esa temperatura euteacutectica (Ramiacuterez A
Santos A amp Gonzaacutelez N 2012)
Los PCM tienen una significativa capacidad de almacenar calor por medio
del cambio de estado pero es necesario tener en cuenta los paraacutemetros de
disentildeo del problema y las ventajas y desventajas de los diferentes tipos de
materiales para determinar cuaacuteles son los maacutes apropiados de utilizar en la
construccioacuten dependiendo de sus diferentes caracteriacutesticas y maacutes importante
aun dependiendo de si su temperatura de cambio de fase se acerca a la
temperatura de confort
2241 PCM inorgaacutenicos sales hidratadas
Seguacuten varios investigadores estos materiales fueron muy estudiados en
las primeras etapas de investigacioacuten de PCM por su bajo costo y su capacidad
de almacenamiento de grandes cantidades de calor por unidad de volumen en
comparacioacuten con las sustancias orgaacutenicas que las convierten en candidatos
idoacuteneos para sus muacuteltiples aplicaciones en el aacutembito del almacenamiento de
energiacutea
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
La buacutesqueda de sustancias con temperatura de cambio de fase proacutexima a
la temperatura ambiente no ha encontrado buenos candidatos dentro de este
grupo y las investigaciones se han dirigido maacutes hacia las sustancias orgaacutenicas
Tabla 21 Ventajas e inconvenientes de los PCM inorgaacutenicos
Ventajas Inconvenientes
Econoacutemicos Problemas en el encapsulado y preparacioacuten
del material
Elevada densidad de
almacenamiento teacutermico
Para un uso prolongado necesita de aditivos
Elevada conductividad teacutermica Son susceptibles de sub enfriamiento
(Inestables)
Temperatura de cambio de fase
claramente definida
Debido a la inestabilidad teacutermica y histeacuteresis
se debe aplicar aditivos para evitar una fusioacuten
incongruente en su aplicacioacuten donde puede
reducir su capacidad de almacenamiento de
calor latente
No inflamables Potencialmente corrosivos con algunos
metales
Reciclables y biodegradables
Fuente (Ramiacuterez A Santos A amp Gonzaacutelez N 2012)
Las sales hidratadas tienen algunas propiedades atractivas como los
elevados valores de calor latente no son inflamables y su elevado contenido
hiacutedrico significa que son baratos y muy disponibles Sin embargo sus
caracteriacutesticas de inadaptacioacuten (corrosioacuten inestabilidad dificultades de re-
solidificacioacuten y tendencia al sub enfriamiento) han implicado la realizacioacuten de
estudios hasta la actualidad para poder manejar estas desventajas y realizar su
correcta aplicacioacuten Necesitan por tanto un contenedor para utilizarlos como
aditivos de otros materiales (Ramiacuterez A Santos A amp Gonzaacutelez N 2012)
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
Tabla 22 Temperatura de fusioacuten de algunas sales hidratadas
PCM Temperatura
fusioacuten (ordmC)
Q fusioacuten (kJkg)
KFmiddot4H2O 185 231
Na2SO4middot10H2O 324 254
CaCl2middot6H2O 24ndash29 192
CaCl2middot6H2O+Nucleador+MgCl2middot6H2O 23 -
Fuente (Ramiacuterez A Santos A amp Gonzaacutelez N 2012)
En la tabla 21 se muestran algunas ventajas y desventajas de los PCM
inorgaacutenicos y en la tabla 22 se muestran las temperaturas de fusioacuten de las sales
hidratadas que permiten determinar cuaacuteles son las oacuteptimas para utilizar en
aislacioacuten (las cuales su temperatura de fusioacuten se acerca a la temperatura de
confort)
2242 PCM orgaacutenicos parafinas aacutecidos grasos y mezclas orgaacutenicas
Los PCM orgaacutenicos poseen unas caracteriacutesticas que los hacen muy uacutetiles
en su aplicacioacuten en determinados elementos constructivos para almacenamiento
de calor latente
Investigadores determinaron que son maacutes estables quiacutemicamente que las
sustancias inorgaacutenicas funden y solidifican convenientemente sin necesidad de
agentes nucleadores y no sufren sub-enfriamiento o histeacuteresis (Gawron 1981)
No obstante se ha demostrado que son maacutes compatibles y adecuados para la
adsorcioacuten en varios materiales constructivos Aunque el costo inicial en materia
prima de un PCM orgaacutenico es superior al de un inorgaacutenico su costo final es
competitivo
Sin embargo estos materiales tienen otras desventajas la maacutes
significativa es que son inflamables y que emiten gases nocivos durante su
combustioacuten Otros problemas menos extendidos son las reacciones con los
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
productos de la hidratacioacuten en hormigoacuten (hidroacutexido de calcio) envejecimiento por
oxidacioacuten y cambios de olor
Muchos de estos inconvenientes se han eliminado Se ha visto que el
envejecimiento por oxidacioacuten de los PCM puede inhibirse utilizando un oxidante
adecuado Se estaacute investigando tambieacuten en la emisioacuten de gases y la
inflamabilidad de algunos de los PCM maacutes efectivos para establecer un radio de
ignicioacuten Tambieacuten se estaacute investigando sobre la compatibilidad de los PCM con
el hormigoacuten (Ramiacuterez A Santos A amp Gonzaacutelez N 2012)
En la tabla 23 se muestran algunas ventajas y desventajas de los PCM
orgaacutenicos y en la tabla 24 y 25 se muestran las temperaturas de fusioacuten de las
parafinas y aacutecidos grasos que permiten determinar cuaacuteles son las oacuteptimas para
utilizar en aislacioacuten (las cuales su temperatura de fusioacuten se acerca a la
temperatura de confort)
Tabla 23 Ventajas e inconvenientes de los PCM orgaacutenicos
Ventajas Inconvenientes
Faacuteciles de usar Calor latente y entalpiacutea maacutes bajos
Estabilidad teacutermica y quiacutemica Baja conductividad teacutermica
No sufren subenfriamiento Amplio rango de fusioacuten
No necesitan agente nucleador para
solidificar
Inflamables
No corrosivos Reaccioacuten potencial con hormigoacuten
Reciclables y ecoloacutegicamente inocuos Alto costo
Compatibilidad con materiales de construccioacuten convencionales
Fuente (Ramiacuterez A Santos A amp Gonzaacutelez N 2012)
Dentro de los PCM orgaacutenicos se pueden encontrar tres grupos de
sustancias diferentes parafinas aacutecidos grasos y mezclas orgaacutenicas A
continuacioacuten se presenta una pequentildea descripcioacuten de estos (Ramiacuterez A
Santos A amp Gonzaacutelez N 2012)
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
22421 Parafinas
Las parafinas son esencialmente un alcalino solido refinado Muestran dos
rangos de enfriamiento un rango maacutes estrecho para un breve periodo de tiempo
y un rango maacutes extenso que ocurre durante un periodo maacutes amplio Ambos se
interpretan como una transicioacuten de liacutequido a amorfo-soacutelida y amorfo-solida a
cristalino-solida respectivamente Parte del calor latente total de fusioacuten se
almacena en la sustancia durante cada una de estas transiciones
Tabla 24 Temperatura de fusioacuten de algunas parafinas
PCM Temperatura fusioacuten (ordmC) Q fusioacuten (kJkg)
Hexadecano 18 236
Heptadecano 22 214
Octadecano 28 244
Parafina 20ndash60 200
RT25 25 147
Fuente (Ramiacuterez A Santos A amp Gonzaacutelez N 2012)
22422 Aacutecidos Grasos
Los aacutecidos grasos derivados de productos animales y vegetales estaacuten
constituidos por una larga cadena alifaacutetica maacutes de 12 carbonos Su cadena
alquiacutelica puede ser saturada o insaturada
En general muestran excelentes caracteriacutesticas teacutermicas (punto de fusioacuten
y congelacioacuten) El rango de temperatura de refrigeracioacuten es grande y no se
produce sub enfriamiento aunque en algunos casos se han detectado Estos
materiales sin embargo tienen elevado costo pudieacutendose utilizar en dispositivos
especiales de almacenamiento de calor o frio
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
Tabla 25 Temperatura de fusioacuten de algunos aacutecidos grasos
PCM Temperatura fusioacuten (ordmC) Q fusioacuten (kJkg)
Caacuteprico 315 158
Laacuteurico 42-44 179
Pentadecano 52 159
Miriacutestico 54 190
Palmiacutetico 63 183
Esteaacuterico 70 196
Eritrol 116-118 126
Fuente (Ramiacuterez A Santos A amp Gonzaacutelez N 2012)
2243 Mezclas euteacutecticas
Tambieacuten existen las mezclas euteacutecticas que puede ser la mezcla de 2
PCM orgaacutenicos de 2 PCM inorgaacutenicos o de un PCM Orgaacutenico maacutes un PCM
inorgaacutenico A continuacioacuten en la tabla 26 se muestra la clasificacioacuten de los PCM
Tabla 26 Clasificacioacuten de los PCMs
Tipo PCM Composicioacuten
Orgaacutenicos Compuestos de parafina
Compuestos sin parafina
Inorgaacutenicos Sales hidratadas
Metaacutelicos
Euteacutecticos Orgaacutenico-Orgaacutenico
Orgaacutenico-Inorgaacutenico
Inorgaacutenico-Inorgaacutenico
Fuente (JuarezD Balart R Ferrandiz S amp Garcia D 2012)
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
23 Criterios de seleccioacuten de los Materiales con Cambio se Fase
Es muy importante la correcta seleccioacuten del material de cambio de fase
dependiendo del campo en que se desee utilizar por lo que a continuacioacuten se
presentaran algunos criterios para seleccionar un PCM correctamente Estos
criterios son propuestos seguacuten una investigacioacuten realizada en Espantildea (Ramiacuterez
A Santos A amp Gonzaacutelez N 2012)
a) Fiacutesicas
bull La densidad del liacutequido y del solido deben ser similares y preferiblemente
elevadas para poder almacenar mayor cantidad de calor por unidad de volumen
bull Variacioacuten de volumen (en el cambio de fase) bajo
b) Cineacuteticas
bull Evitar el problema de histeacuteresis subenfriamiento o retardo al inicio de la
solidificacioacuten como ocurre en los PCM inorgaacutenicos que se produce al no ceder
el calor latente de un PCM pese a que su temperatura sea inferior al punto de
congelacioacuten
c) Quiacutemicas
bull El proceso de cambio de fase debe ser totalmente reversible y solo dependiente
de la temperatura
bull Ser quiacutemicamente estables en el tiempo evitando su descomposicioacuten y
contaminacioacuten
bull No presentar segregacioacuten de fases
bull Ser compatibles con los materiales de encapsulado y otros con los que esteacute en
contacto estabilidad quiacutemica para evitar oxidacioacuten descomposicioacuten teacutermica
hidroacutelisis corrosioacuten y otras reacciones
bull No inflamables y resistentes al fuego
d) Teacutermicas
bull La temperatura de cambio de fase debe ser adecuada a cada aplicacioacuten
particular
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
bull Presentar una temperatura de fusioacuten definida o al menos el cambio de fase
debe producirse en un valor discreto o en un pequentildeo intervalo de temperaturas
bull Poseer una gran capacidad de almacenamiento de calor sensible (calor
especiacutefico) en estado soacutelido y liacutequido y elevada entalpia de cambio de fase calor
latente
bull Poseer una alta conductividad teacutermica para facilitar la transferencia de calor
e) Econoacutemicas
bull Estar disponible en grandes cantidades a bajo costo para que sean viables
teacutecnica y econoacutemicamente
bull Tener un razonable ciclo de vida uacutetil de acuerdo con su costo
24 Vida uacutetil del material cambio fase
El tiempo de vida uacutetil de un PCM viene determinado por la cantidad de
ciclos teacutermicos que es capaz de soportar un material manteniendo su estabilidad
teacutermica El PCM es sometido a repetidos ciclos de calentamiento y enfriamiento
en los que el material cambia de fase de soacutelido a liacutequido y posteriormente vuelve
a cambiar de fase de liacutequido a soacutelido Se miden sus propiedades teacutermicas en
temperaturas fusioacuten y entalpias obteniendo el nuacutemero de ciclos en los que las
propiedades teacutermicas del material no variacutean de forma considerable
Tras realizar una exhaustiva buacutesqueda existe muy poca bibliografiacutea
acerca de la degradacioacuten teacutermica de los PCM y la determinacioacuten de su tiempo de
uso especialmente en aplicaciones para edificacioacuten donde la vida uacutetil del material
debe ser elevada
Aunque es complicado conocer la vida uacutetil real de estos materiales y en
queacute momento dejan de conservar sus propiedades adecuadas para las
aplicaciones a las que se destina existen algunos artiacuteculos basados en
experimentos realizados en laboratorios de materiales sometidos a ciclos
teacutermicos acelerados para determinar si en un nuacutemero de ciclos el material
mantiene sus propiedades teacutermicas intactas (temperaturas fusioacuten y entalpias)
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
Algunos materiales son sometidos a 50 100 1000 o hasta 5000 ciclos teacutermicos
Pero el problema es determinar si ese maacuteximo de 5000 ciclos es suficiente para
asegurar que un material seguiraacute cumpliendo su funcioacuten Hasta el momento no
se ha encontrado en la literatura ninguna investigacioacuten donde se ensaye el
material un nuacutemero suficiente de ciclos hasta la peacuterdida de sus propiedades
teacutermicas para poder conocer su vida uacutetil o el nuacutemero de ciclos que es capaz de
soportar el PCM hasta su degradacioacuten
Por todo lo anteriormente expuesto en esta investigacioacuten se ha
considerado la vida uacutetil del material como el mayor nuacutemero de ciclos soportados
por un material obtenidos a partir de los estudios realizados por diferentes autores
en la literatura o fabricante a pesar de no haber llegado a degradarse en su
totalidad
25 Aplicacioacuten en la construccioacuten
El sector de la construccioacuten es el que maacutes beneficios puede obtener de la
utilizacioacuten de materiales con cambio de fase (PCM) ya que tiene importantes
beneficios en ahorro energeacutetico reducir la contaminacioacuten de CO2 y optimizar la
inercia teacutermica en las edificaciones con el objetivo de mejorar la habitabilidad de
los usuarios
La temperatura interior en un edificio depende de las condiciones
exteriores interiores y de las caracteriacutesticas teacutermicas de la edificacioacuten como la
capacidad teacutermica de los materiales que tiene un efecto como el mostrado en la
figura 23 el cual no considera un sistema activo en su anaacutelisis
Figura 23 Estabilizacioacuten de la temperatura interior por el efecto inercia teacutermica
Fuente (M Kenisarin amp K Mahkamov 2007)
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
Actualmente la mayoriacutea de los materiales de construccioacuten son livianos lo
que trae como consecuencia una baja capacidad caloriacutefica La introduccioacuten de
materiales de cambio de fase puede aumentar la inercia teacutermica del edificio sin
aumentar mucho su peso Sin embargo es necesario disponer de aacuterea de
transferencia de calor suficiente para liberar esa energiacutea (Dincer I amp Rosen M
2002) y es imprescindible que se pueda descargar el material por medio de la
ventilacioacuten durante la noche para prevenir el sobrecalentamiento en los
elementos con PCM (M Kenisarin amp K Mahkamov 2007)
La Figura 24 muestra una comparacioacuten entre el espesor de material
requerido para obtener la misma capacidad teacutermica que la obtenida con un
centiacutemetro de PCM
Figura 24 Espesor requerido de distintos materiales Vs Energiacutea teacutermica
Fuente (M Kenisarin amp K Mahkamov 2007)
Las caracteriacutesticas requeridas para el empleo de materiales de cambio de
fase en la edificacioacuten son
0 5 10 15 20 25 30 35 40
Yeso
Madera
Hormigon
Ceramico
Ladrillo
PCM
Espesor (cm)
H (
kJK
g)
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
Temperatura de cambio de fase entre 12 y 25ordmC
Alta estabilidad a los ciclos de cambio de fases debido a la larga vida uacutetil
de los edificios
No corrosivos para reducir el riesgo de fuga de su contenedor y evitar
dantildeos en la estructura del edificio
Considerar la inflamabilidad al fuego y dar soluciones constructivas de
acuerdo a la normativa
Econoacutemicamente viable en funcioacuten de los costos de implementacioacuten y
ahorro energeacuteticos
Una limitacioacuten de los PCM para su aplicacioacuten en la construccioacuten es la
estacionalidad pues el PCM debe ser seleccionado para aplicaciones en
calefaccioacuten pasiva Esta limitacioacuten reduce los beneficios teacutermicos el ahorro
energeacutetico y su viabilidad econoacutemica Investigadores estudiaron un concepto de
doble capa de PCM para que funcionara durante todo el antildeo (A Pasupathy L
Athanasius R Velraj amp RV Seeniraj 2008)
26 Encapsulacioacuten
Uno de los criterios que ha limitado el uso generalizado de los PCM es la
incompatibilidad entre estos materiales y sus contenedores afectando su
estabilidad a largo plazo degradado sus propiedades y provocando la corrosioacuten
de sus recipientes de embalaje Como respuesta a estos inconvenientes han
surgido diferentes teacutecnicas de encapsulacioacuten de los PCM las cuales ofrecen
unas ventajas significativas tales como
Aumento del aacuterea de transferencia de calor
Reduccioacuten de la reactividad hacia el ambiente exterior
Control de los cambios en el volumen eacutestos ocurren dentro de la capsula
No hay absorcioacuten de humedad
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
Los meacutetodos de encapsulacioacuten clasificados de acuerdo a su tamantildeo
pueden ser de dos tipos micro y macro encapsulados (Lane 1986)
261 Microcaacutepsulas
Una investigacioacuten menciona que la micro encapsulacioacuten podriacutea definirse
como el proceso de rodear o envolver una sustancia en otra sustancia a escala
muy reducida produciendo caacutepsulas que van desde 1 μm a 1000 μm de diaacutemetro
Los tres estados de la materia (soacutelidos liacutequidos y gases) pueden ser micro
encapsulado
El material de la membrana exterior debe ser compatible con el PCM y a
su vez ser capaz de hacer frente a la tensioacuten mecaacutenica sobre las paredes del
recipiente provocada por las variaciones de volumen durante el cambio de fase
(S E Kalnaeligs amp B P Jelle 2015)
Por lo general los PCM micro-encapsulados se encuentran
comercialmente disponibles en dos formatos dispersioacuten fluida donde las
caacutepsulas son dispersadas en agua o en polvo en mezclas en seco
La figura 25 muestra en teacuterminos practico la conformacioacuten de la
envolvente de poliacutemero en una cera PCM dimensionando el tamantildeo en ellas
Figura 25 Microcaacutepsulas
Fuente (S E Kalnaes and B P Jelle 2015)
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
262 Macrocaacutepsulas
La macro-encapsulacioacuten hace referencia a PCM encapsulados en
cualquier tipo de recipiente tal como tubos esferas o paneles que pueden ser
incorporados en materiales de construccioacuten o que actuacutean como intercambiadores
de calor por siacute mismos El tamantildeo de estos contenedores es por lo general maacutes
de 1 cm3 almacenando desde varios mililitros hasta varios litros La tecnologiacutea
de macro encapsulacioacuten emplea un proceso de encapsulacioacuten de doble capa
creando una caacutepsula con una configuracioacuten en forma de matriz La principal
ventaja de los envases plaacutesticos es la disponibilidad en el mercado y la facilidad
de producirlos en una gran variedad de formas y con pocas restricciones
geomeacutetricas Ademaacutes son compatibles con la mayoriacutea de PCM incluyendo las
sales hidratadas por lo general no presentan degradacioacuten aunque algunos
materiales orgaacutenicos pueden llegar a suavizarlos (S E Kalnaes and B P Jelle
2015)
El PCM se encuentra confinado por la encapsulacioacuten evitaraacute cambios
volumeacutetricos importantes lo que evita varios riesgos y garantiza la integridad del
componente en el que se insertan las caacutepsulas La barrera polimeacuterica puede ser
de otros materiales por ejemplo como aluminio ya que mejora la compatibilidad
con otros materiales de construccioacuten y evita la corrosioacuten Este tipo de aplicacioacuten
es de faacutecil manejo una clara ventaja de este proceso en relacioacuten a los meacutetodos
de impregnacioacuten e inmersioacuten del iacutetem anterior
Figura 26 Caacutepsulas de macro PCM (Contenedor plano Esfera Placas de
barra doble y placas de aluminio)
Fuente (S E Kalnaeligs amp B P Jelle 2015)
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
CAPITULO III MEacuteTODOS Y METODOLOGIacuteA
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
En este estudio la evaluacioacuten se centra en el anaacutelisis de optimizacioacuten de
la aplicacioacuten PCM a los muros exteriores y dimensionamiento del rendimiento
teacutermico de una vivienda en estudio
Los modelos generados en el software Energy Plus se ingresoacute valores de
los sistemas constructivos de la vivienda en estudio condiciones climaacuteticas
caracterizacioacuten PCM en muros exteriores y caracterizacioacuten macro encapsulacioacuten
de acuerdo con las directrices (DOE 2016) se explica en las siguientes secciones
del capiacutetulo
31 Herramienta de simulacioacuten de energiacutea
Para evaluar los PCM de comportamiento teacutermico variable de la vivienda
en estudio con y sin PCM se utilizoacute el software EnergyPlus v 87
En teacuterminos generales el software puede evaluar una variedad de caacutelculos
destacados como los caacutelculos de puentes teacutermicos HVAC integrado y
simulaciones de carga de construccioacuten confort teacutermico y materiales con
conductividad teacutermica variable como el PCM (DB Crawley LK Lawrie FC
Winkelmann WF Buhl YJ Huang amp CO Pedersen 2001) Ademaacutes hay
muchas opciones para la conveccioacuten de la superficie interior y exterior
algoritmos infiltracioacuten avanzada e ventilacioacuten energiacutea desarrollada costos del
ciclo de vida algoritmos avanzados de confort teacutermico como como la calidad del
aire interior y el confort teacutermico para los ocupantes (DB Crawley JW Hand M
Kummert amp BT Griffith 2008)
Para analizar el comportamiento teacutermico variable de los PCM en estudio
se utilizoacute el algoritmo de diferencia finita de conduccioacuten (CondFD) Este algoritmo
modela la transferencia de calor en presencia de PCM y junto con la ecuacioacuten (2)
discretiza la envolvente del edificio en varios nodos para resolver numeacutericamente
la transferencia de calor en el software se puede escoger ecuaciones por un
esquema totalmente impliacutecito y el Crank-Nicolson que es semi-impliacutecito (KO
Lee 2016)
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
En esta investigacioacuten se utiliza un esquema Crank-Nicolson para simular
PCM para un material homogeacuteneo con espaciado uniforme de nodos como se
muestra en la ecuacioacuten (2) (3) y (4) extraiacutedo del manual del software
EnergyPlus (DOE 2016)
119862119901120588∆119909119879119894
119895+1minus 119879119894
119895
∆119905= (119896119908
119879119894+1119895+1
minus 119879119894119895+1
∆119909+ 119896119864
119879119894minus1119895+1
minus 119879119894119895+1
∆119909+ 119896119908
119879119894+1119895
minus 119879119894119895
∆119909+ 119896119864
119879119894minus1119895
minus 119879119894119895
∆119909)
Ec 2
∆119909 = radic119888120572∆119905 Ec 3
Donde Cp y ρ son el calor especiacutefico y la densidad del material Δ119909 es el
espesor de capa de diferencia finita Δ119905 es el paso de tiempo 119879 es la temperatura
de un nodo 119894 119894 + 1 y 119894 minus 1 son los nodos adyacentes al interior y exterior
respectivamente de una capa de material 119895 y 119895 + 1 son los pasos de tiempo
anterior y nuevo 119896119908 y 119896119864 representan las conductividades teacutermicas 119896119908 =
119896119894+1119895+1
+119896119894119895+1
2 y 119896119864 =
119896119894minus1119895+1
+119896119894119895+1
2 120572 es la difusividad teacutermica del material y 119888 es la
constante de discretizacioacuten del espacio que puede definir el usuario (3 es el valor
predeterminado para esta constante seguacuten manual)
Esta investigacioacuten considera el uso de paneles PCM por lo tanto el
algoritmo CondFD ecuacioacuten (2) debe combinarse con una funcioacuten de temperatura
de entalpiacutea ℎ = ℎ (119879) estos datos en la funcioacuten se obtendraacuten de acuerdo al estudio
bibliograacutefico El algoritmo usa esta funcioacuten para actualizar el calor especiacutefico
equivalente (119862119901) en cada paso de tiempo como se muestra en la ecuacioacuten (4)
lowast 119862119901(119879) =ℎ119894
119895minus ℎ119894
119895minus1
119879119894119895
minus 119879119894119895minus1
Ec 4
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
43
Diego Sarabia Meacutendez
32 Descripcioacuten Vivienda en estudio
En este apartado se define los sistemas constructivos de la vivienda en
estudio con y sin PCM para obtener la liacutenea base de comparacioacuten
En la figura 31 se muestra el disentildeo de vivienda en estudio de 56 m2 y
los espacios interiores con su distribucioacuten de aacutereas veacutease en la tabla 31 esta
vivienda se configuro de acuerdo a las soluciones constructivas acreditadas
(MINVU Soluciones constructivas acreditadas al fuego teacutermico y acuacutestico
2020)
Las caracteriacutesticas de la envolvente de la vivienda en estudio cuentan con
la configuracioacuten miacutenima de la reglamentacioacuten teacutermica que actualmente rige en
Chile estaacute establecida en la Ordenanza General de Urbanismo y Construcciones
en su artiacuteculo 4110 y en una zonificacioacuten del paiacutes en zonas teacutermicas seguacuten
grados-diacutea especificados en el manual de aislamiento teacutermico (MINVU Manual
de aplicacioacuten y reglamentacoacuten teacutermica 2017) Los complejos de techumbres
muros perimetrales y pisos inferiores ventilados entendidos como elementos que
constituyen la envolvente de la vivienda deberaacuten tener una transmitancia teacutermica
ldquoUrdquo igual o menor o una resistencia teacutermica total ldquoRtrdquo igual o superior a la
sentildealada para la zona que le corresponda al proyecto de arquitectura de acuerdo
con los planos de zonificacioacuten teacutermica corresponde a zona 4 y se verifica lo
anteriormente expuesto en la tabla 32 cabe sentildealar que los valores de
transmitancia teacutermica se extrajeron de acuerdo a las ecuaciones de balance
teacutermico que estaacute incorporado en el software
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
44
Diego Sarabia Meacutendez
Figura 31 Descripcioacuten Vivienda en estudio
Elaboracioacuten Propia - Software Revit
A continuacioacuten se muestra las dimensiones que tiene cada espacio de las
dos torres del edificio en las siguientes tablas
Tabla 31 Resumen superficies de los distintos espacios vivienda en estudio
Torre A
Lugar Superficie (119950120784) Altura (m)
Dormitorio Primario 8 24
Dormitorio Secundario 7 24
Cocina 9 24
Living - Comedor 28 24
Bantildeo 3 24
TOTAL 56
Fuente Elaboracioacuten Propia
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
Tabla 32 Cumplimiento de la envolvente elementos constructivos de la vivienda en estudio
Elemento Materiales (exterior al
interior)
Espesor (m)
Transmitencia teacutermica Valor U (Wm2K)
Transmitencia teacutermica exigida Valor U (Wm2K)
Muro Exterior
Siding
Fibrocemento
0006
0672
17
Plancha OSB 0009
Entramado
madera pino 2x3
0075
Lana de vidrio 005
Caacutemara no
ventilada
(Ubicacioacuten del
PCM)
0026
Placa yeso cartoacuten 0015
Muro Interior
Placa yeso cartoacuten 0015
0677
17
Entramado
madera pino 2x2
0075
Lana de vidrio 005
Placa yeso cartoacuten 0015
Techumbre
Plancha Zincalum 0035
0316
038
Fieltro 0005
Plancha OSB 0009
Entramado madera pino 2x2
0075
Lana de Vidrio 005
Placa yeso cartoacuten 00125
Piso en contacto
con el terreno
Radier Hormigoacuten 02 17 No aplica
Fuente Elaboracioacuten Propia
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
46
Diego Sarabia Meacutendez
Para integrar el PCM con la vivienda en estudio se configuro las
propiedades teacutecnicas y la ubicacioacuten optima interna del PCM al panel externo
constructivo donde se administroacute en el modelo de simulacioacuten veacutease en la Figura
313 y figura 38
321 Meacutetodo de zona en software EnergyPlus
El modelo de construccioacuten creado se utilizoacute el meacutetodo de zona donde
todas las zonas fueron modeladas con informacioacuten completa en construccioacuten
ocupacioacuten equipamiento y HVAC
Al iniciar el modelo se elige la ubicacioacuten y el tipo de anaacutelisis Despueacutes se
debe ingresar un nombre al sitio y a cada zona Ademaacutes se puede asignar varios
edificios bajo el mismo sitio cada uno con su propio nombre Una vez definido lo
anterior se genera bloque que generalmente representa un piso o nivel planta
para este estudio se genera bloque de acuerdo a la figura 32
Figura 32 Modelo de zona en casa de estudio
Fuente Elaboracioacuten Propia
La fase de zonificacioacuten separa las diferentes zonas teacutermicas Para el
modelo cada suite se considera una zona El meacutetodo de zona permite asignar
diferentes horarios operativos a cada zona Cada una de las paredes de cada
bloque se llama superficie y ventanas o puertas como sub-superficies o
aberturas La vivienda se muestra parcialmente en la Figura 33
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
47
Diego Sarabia Meacutendez
Figura 33 Zona y sub-superficie de vivienda en estudio
Fuente Elaboracioacuten Propia
El software da la posibilidad de elegir los materiales utilizados en la
construccioacuten de la vivienda a traveacutes de sus bibliotecas de materiales o pueden
ser creados por el usuario y los materiales elegidos son asignado a las partes
especificadas de la vivienda Estos pasos se repitieron en todos los pisos para
completar todo el modelo de construccioacuten
33 Datos meteoroloacutegicos
El modelo de simulacioacuten se mantuvo en base a los datos meteoroloacutegicos
con formato EPW en Energy plus se definioacute la ubicacioacuten Concepcioacuten Chile Con
el objetivo de evaluar el rendimiento teacutermico y analizar la optimizacioacuten de la
posicioacuten del PCM al muro exterior de la vivienda en estudio Las configuraciones
de los datos meteoroloacutegicos se muestran en la Figura 34
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
48
Diego Sarabia Meacutendez
Figura 34 Configuracioacuten datos meteoroloacutegico
Fuente Elaboracioacuten Propia
34 Jornadas de ocupacioacuten
Para realizar la simulacioacuten energeacutetica se deben definir una serie de
planillas de ocupacioacuten de los recintos uso de luminaria y equipos En estas
planillas de ocupacioacuten se define el ciclo horario para todos los diacuteas del antildeo
Esto se realiza con la finalidad de establecer los periodos en los que
influyen los distintos tipos de cargas internas en la vivienda
A continuacioacuten se adjunta a modo de ejemplo la figura 35 en la cual se
puede ver el menuacute de configuracioacuten de las plantillas de ocupacioacuten
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
49
Diego Sarabia Meacutendez
Figura 35 Planilla de uso horario de un recinto
Fuente Elaboracioacuten propia
35 Configuracioacuten envolvente por elemento y sistemas de climatizacioacuten
Definidos las zonas y multi zonas del modelo se deberaacute configurar los
sistemas constructivos en sus propiedades teacutermicas y dimensiones El software
automaacuteticamente genera el caacutelculo de transmitancia teacutermica anaacutelisis de
condensacioacuten y dimensioacuten en imagen por elemento Veacutease en la figura 36
Para configurar el sistema de climatizacioacuten primero se debe definir los
rangos de temperatura confort teacutermico en la pestantildea de actividades del software
Veacutease figura 37 A continuacioacuten se define el tipo de sistema de climatizacioacuten
definiendo las horas de operacioacuten tipo combustible y rendimiento del sistema
como se muestra en la figura 38
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
50
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Figura 36 Planilla configuracioacuten envolvente por elemento
Fuente Elaboracioacuten propia
Figura 37 Planilla configuracioacuten rango de temperatura confort teacutermico
Fuente Elaboracioacuten propia
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
Figura 38 Planilla configuracioacuten del tipo de sistema de climatizacioacuten
Fuente Elaboracioacuten propia
36 Caracterizacioacuten PCM
En este estudio se utilizoacute placas PCM tipo orgaacutenico de parafina tiene una
relacioacuten de mezcla de n-octadecano a n-heptadecano seleccionado debido a la
eficiencia energeacutetica con temperatura cercana al confort teacutermico (12ndash26 deg C)
basado en ISO 13790 (KO Lee 2016)
Seguacuten el estado de arte existente se definioacute los tres materiales de cambio
de fase los cuales son candidatos idoacuteneos para utilizar en esta investigacioacuten
Estos materiales han sido estudiados por diversos autores con el fin de obtener
sus propiedades termofiacutesicas y usarlas en la edificacioacuten La razoacuten de utilizar estos
materiales es debido a sus propiedades teacutermicas y el que su temperatura de
fusioacuten es cercana a la temperatura de confort
Ademaacutes la vida uacutetil del PCM es de 13 antildeos seguacuten su ciclo de cambio
fase considerando 365 cambios fase anual el cual se justifica con los costos de
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
52
Diego Sarabia Meacutendez
inversioacuten al implementar esta tecnologiacutea dependiendo de la magnitud del flujo
de calor el cuaacutel se quiere operar
Las especificaciones teacutecnicas de las placas PCM y el comportamiento de
temperaturas y entalpias de operacioacuten se describen en la tabla 33 las cuales se
vinculan con el algoritmo CondFD de la ecuacioacuten (2) para evaluar su rendimiento
energeacutetico en la vivienda en estudio
361 Seleccioacuten de Materiales Cambio Fase
Tabla 33 Especificaciones teacutecnicas de PCM a utilizar
Caracteriacutesticas RT18HC
Valores Unidades Grafica entalpia y Temperatura
Temperatura de Fusioacuten
18
degC
Almacenamiento de calor
260 [kJkg]
Capacidad calor especifico
2 [kJkgK]
Densidad solido (a los 15degC)
088 [kgl]
Densidad solido (a los 25degC)
077 [kgl]
Conductividad teacutermica
(Ambas fases)
02 [W(mK)]
Expansioacuten de Volumen
125
Maacutexima temperatura operacioacuten
50 degC
Ciclo Cambio fase
5000 -
Caracteriacutesticas RT21HC
Valores Unidades Grafica entalpia y Temperatura
Temperatura de Fusioacuten
21
degC
Almacenamiento de calor
155 [kJkg]
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
Capacidad calor especifico
2 [kJkgK]
Densidad solido (a los 15degC)
088 [kgl]
Densidad solido (a los 25degC)
077 [kgl]
Conductividad teacutermica
(Ambas fases)
02 [W(mK)]
Expansioacuten de Volumen
12
Maacutexima temperatura operacioacuten
45 degC
Ciclo Cambio fase
5000 -
Caracteriacutesticas RT22HC
Valores Unidades Grafica entalpia y Temperatura
Temperatura de Fusioacuten
22
degC
Almacenamiento de calor
190 [kJkg]
Capacidad calor especifico
2 [kJkgK]
Densidad solido (a los 15degC)
076 [kgl]
Densidad solido (a los 25degC)
070 [kgl]
Conductividad teacutermica
(Ambas fases)
02 [W(mK)]
Expansioacuten de Volumen
125
Maacutexima temperatura operacioacuten
50 degC
Ciclo Cambio fase
5000 -
Fuente (Rubitherm 2020)
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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362 Configuracioacuten del PCM en EnergyPlus
De acuerdo al estudio bibliograacutefico de los materiales cambio fase para
ingresar los datos al software se debe definir las cantidades de temperatura de
operacioacuten identificar el punto de fusioacuten en las graacuteficas de entalpia y temperatura
de la tabla 33 conductividad teacutermica calor especifico densidades y espesor en
el elemento constructivo con el fin de determinar el flujo de calor de operacioacuten
de acuerdo al balance termodinaacutemico de la ecuacioacuten (2) A continuacioacuten se
adjunta a modo de ejemplo la figura 39 en la cual se puede ver el menuacute de
configuracioacuten
Figura 39 Configuracioacuten del PCM en el software
Fuente Elaboracioacuten Propia
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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363 Cotizacioacuten PCM RT21
La inversioacuten total del material cambio fase es de $1106679
correspondiente a 160 kg con transporte incluido Se observa que el costo de
transporte afecta considerablemente en su valor (Alemania)
Se realizoacute cotizacioacuten del material RT21 en la empresa alemana Rubitherm
se presenta en la figura 310
Figura 310 Cotizacioacuten del material RT21
Fuente (Rubitherm 2020)
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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37 Caracterizacioacuten Macro encapsulacioacuten
En esta seccioacuten la placa de macro encapsulacioacuten utilizada para el PCM
es de materialidad de aluminio veacutease figura 311 esto aumenta la transferencia
de calor en los PCM Son dos placas que estaacuten unidas entre siacute Se unen en dos
puntos centrados y se pegan en sus marcos Pueden ser utilizados para PCM
(orgaacutenico - inorgaacutenico) Por lo tanto se puede ofrecer un rango de temperatura
para una variedad de aplicaciones El grosor depende del volumen de llenado y
por lo tanto de la capacidad de almacenamiento Para el estudio se seleccionoacute
el modelo CSM105 Rubitherm el cual su espesor es de 15 mm y puede
almacenar 2 Kg de PCM por placa
Figura 311 Modulo Almacenamiento Macro encapsulacioacuten de aluminio
Fuente (Rubitherm 2020)
371 Cotizacioacuten Macro encapsulacioacuten
La inversioacuten total de la Macro encapsulacioacuten de aluminio modelo CSM105
Rubitherm es de $ 4326306 correspondiente a 150 unidades con transporte
incluido Se observa que el costo de transporte afecta considerablemente en su
valor (Alemania) Se realizoacute cotizacioacuten de los elementos de Macro encapsulacioacuten
de aluminio modelo CSM105 Rubitherm se presenta en la figura 312
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
57
Diego Sarabia Meacutendez
Figura 312 Cotizacioacuten Macro encapsulacioacuten
Fuente (Rubitherm 2020)
38 Validacioacuten muro constructivo con PCM
De acuerdo a los estudios del estado de arte y conocimientos teacutecnicos se
validoacute el sistema constructivo propuesto del muro exterior en el cumplimiento de
resistencia al fuego de acuerdo al cataacutelogo de soluciones constructivas del
MINVU y de la Ordenanza General de Urbanismo y Construcciones (OGUC)
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
381 Cumplimiento de la OGUC y Resistencia al fuego
Dentro de las exigencias a cumplir por la OGUC se tiene la resistencia
al fuego en elementos constructivos seguacuten el tipo de recinto Para el caso del
muro de la vivienda en estudio se hace el siguiente anaacutelisis
De la tabla Ndeg34 seguacuten ldquodestino del edificiordquo ldquosuperficie edificada (m2)rdquo y
ldquonuacutemero de pisosrdquo se obtiene una clasificacioacuten (a b c y d) seguacuten corresponda
En el caso de estudio se tiene una vivienda de 1 piso por lo que el destino
es ldquoHabitacionalrdquo y por nuacutemero de pisos se establece una clasificacioacuten ldquodrdquo
Tabla 34 Clasificacioacuten de los edificios seguacuten su destino superficie edificada y
nuacutemero de pisos Destino del Edificio Superficie Edificada (m2) Nuacutemeros de Pisos
1 2 3 4 5 6 7 o mas
Habitacional Cualquiera d d c c b a a
Hoteles Sobre 5000 c b a a a a a
Sobre 1500 y hasta 5000 c b b b a a a
Sobre 500 y hasta 1500 c c b b a a a
Hasta 500 d c b b a a a
Oficinas Sobre 1500 c c b b b a a
Sobre 500 y hasta 1500 c c c b b b a
Hasta 500 d c c b b b a
Museos Sobre 1500 c c b b b a a
Sobre 500 y hasta 1500 c c c b b b a
Hasta 500 d c c b b b a
Clinica Hospitales y Lab Sobre 1000 c b b a a a a
Hasta 1000 c c b b a a a
Policlinicos Sobre 400 c c b b b b a
Hasta 400 d c c b b b a
Restaurante Sobre 500 b a a a a a a
Sobre 250 y hasta 500 c b b a a a a
Hasta 250 d c c b b a a
Locales Comerciales Sobre 500 c b b a a a a
Sobre 200 y hasta 500 c c b b a a
Hasta 200 d c b b b a a
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Bibliotecas Sobre 1500 b b a a a a a
Sobre 500 y hasta 1500 b b b a a a a
Sobre 250 y hasta 500 c b b b a a a
Hasta 250 d c b b a a a
Automotoras Cualquiera d c c b b b a
Edificio Estacionamiento Cualquiera d c c c b b a
Fuente (MINVU Soluciones constructivas acreditadas al fuego teacutermico y
acuacutestico 2020)
Para lograr obtener la resistencia al fuego necesaria se debe utilizar
ademaacutes la tabla 34 la cual utilizo como criterios la clasificacioacuten obtenida de la
tabla 35 y el tipo de elemento constructivo
Tabla 35 Resistencia al fuego para diferentes elementos de construccioacuten Elementos de Construccioacuten
Tipo (1) (2) (3) (4) (5) (6) (7) (8) (9)
A F-180 F-120 F-120 F-120 F-120 F-30 F-60 F-120 F-60
B F-150 F-120 F-90 F-90 F-90 F-15 F-30 F-90 F-60
C F-120 F-90 F-60 F-60 F-60 - F-15 F-60 F-30
D F-120 F-60 F-60 F-60 F-30 - - F-30 F-15
Fuente (MINVU Soluciones constructivas acreditadas al fuego teacutermico y
acuacutestico 2020) Simbologiacutea
Elementos verticales
(1) Muros cortafuego
(2) Muros zona vertical de seguridad y caja de escalera
(3) Muros caja de ascensores
(4) Muros divisorios entre unidades (hasta la cubierta)
(5) Elementos soportantes verticales
(6) Muros no soportantes y tabiques
Elementos verticales y horizontales
(7) Escaleras
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
60
Diego Sarabia Meacutendez
Elementos Horizontales
(8) Elementos soportantes horizontales
(9) Techumbre incluido cielo falso
Para el caso de los muros que dan al exterior de la vivienda en estudio se
considera en la categoriacutea (5) y seguacuten la clasificacioacuten obtenida de la tabla 35 (d)
se tiene un grado de resistencia al fuego F-30
Para cumplir con esta exigencia se utiliza una solucioacuten del cataacutelogo de
soluciones constructivas del MINVU la cual se presenta a continuacioacuten
Tabla 36 Tabique perimetral estructura madera en vivienda en estudio
A233014 Tabique Estructura Madera Volcanita 15 mm RF Placa
OSB 9 mm Siding Volcan 6 mm Aislanglas R122 50 mm
Elemento estaacute formado por una estructura de madera hecha con listones de pino
radiata de 2rdquo x 3rdquo en bruto Consta de 5 pie-derechos distanciados entre ejes
cada 06 m dos cadenetas distanciadas entre ejes cada 08 m una solera inferior
y otra superior Esta estructuracioacuten esta forrada por una de sus caras con una
plancha de yeso-cartoacuten ldquoVolcanita RFrdquo de 15 mm de espesor La otra cara esta
forrada con una placa de madera OSB de 9 mm de espesor y como terminacioacuten
en esta cara lleva unas fajas horizontales de fibrocemento ldquoSiding Volcanrdquo tipo
tinglado de 190 mm de ancho y 6 mm de espesor Todo el conjunto esta
atornillado a la estructura de madera Esta conformacioacuten deja espacios libres en
el interior del panel estaacuten rellenos con una manta de lana de vidrio tipo rollo libre
R122 de 50 mm de espesor de densidad media aparente de 14 kgm3 Las
dimensiones para el ensayo fue 22 de ancho x 24 de alto y 105 mm de espesor
INSTITUCION Ndeg Informe Lab Fecha Resistencia Inscripcioacuten
Volcaacuten SA 374721 IDIEM 26-06-96 F-30 2015
Fuente (MINVU Soluciones constructivas acreditadas al fuego teacutermico y
acuacutestico 2020)
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
61
Diego Sarabia Meacutendez
Otra de las exigencias por parte de la OGUC es el cumplimiento de la
reglamentacioacuten teacutermica mostrado en la tabla 32 para esto se compara las
transmitancias teacutermicas exigidas con las envolventes de los elementos
constructivos de la vivienda en estudio Para el caso del muro donde se
incorporaraacute el PCM se seleccionoacute de acuerdo al listado de soluciones
constructivas del MINVU para validar la resistencia al fuego En la figura 313 se
visualiza las componentes de la envolvente del muro con PCM
Figura 313 Sistema Constructivo Muro exterior con PCM en vivienda estudio
Fuente Elaboracioacuten Propia
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
CAPITULO IV RESULTADOS Y DISCUSIOacuteN
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
63
Diego Sarabia Meacutendez
En este segmento se evaluoacute el comportamiento energeacutetico de los
materiales cambio fase mediante el software Energy Plus Los materiales cambio
fase se produce dentro de placas de macro encapsulacioacuten de aluminio al interior
de los muros exteriores
Por lo tanto se observoacute el aporte energeacutetico de los materiales cambio fase
en un sistema activo de calefaccioacuten optimizando los sistemas constructivos en
la vivienda en estudio y dar respuesta a su aplicacioacuten en acondicionamiento
ambiental
41 Comportamiento Energeacuteticos de los materiales cambio fase
A continuacioacuten se comparoacute el comportamiento energeacutetico de dos sistemas
de climatizacioacuten con el aporte energeacutetico pasivo de los distintos materiales
cambio fase en una vivienda en estudio
411 Rendimiento energeacutetico de calefaccioacuten con y sin PCM
Para evaluar el comportamiento energeacutetico se definioacute la temperatura de
fusioacuten de los PCM en el rango de 18 a 22degC el aporte energeacutetico de los PCM
ayudo a mantener constante la temperatura confort de 21degC en la vivienda y
reducir los consumos energeacuteticos del sistema activo para este estudio se
escogioacute dos sistemas de climatizacioacuten caso 1 calefaccioacuten a lentildea con un η=07 y
caso 2 Climatizacioacuten por bomba de calor η=27 esta seleccioacuten se debe a que el
sistema de calefaccioacuten a lentildea es el maacutes usado en la zona genera una alta
contaminacioacuten ambiental por su combustioacuten en material particulado es el
combustible maacutes econoacutemico por unidad de energiacutea y su inversioacuten es accesible
en cambio los equipos de bomba calor tienen un mayor rendimiento energeacutetico
tiene menos impacto al medio ambiente y su inversioacuten es costosa
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
64
Diego Sarabia Meacutendez
La figura 41 (a) muestra las potencias maacuteximas de disentildeo en
climatizacioacuten comparando la liacutenea base con la implementacioacuten de materiales
PCM en vivienda en estudio ubicado en Concepcioacuten Chile A traveacutes de este
anaacutelisis se identificoacute una disminucioacuten en su potencia de disentildeo de 319 (de
263 kW a un 179 kW) con respecto al caso base
Figura 41 (a) Potencia maacutexima disentildeo con y sin PCM en vivienda estudio
Fuente Elaboracioacuten Propia
En la figura 41 (b) y (c) se realizoacute la comparacioacuten de distintos tipos de
materiales PCM con un rango de temperatura de fusioacuten entre 18 degC a 22degC para
determinar cuaacutel es maacutes eficiente en funcioacuten de las variables de disentildeo
emplazamientos y propiedades teacutermicas
Para el primer caso se evaluoacute el sistema de calefaccioacuten a lentildea y el rol
clave de estos materiales PCM es reducir el consumo energeacutetico y el kgCO2
generado por la combustioacuten En los resultados se visualizoacute que el material cambio
fase optimo corresponde al PCM 22HC arrojando una reduccioacuten del consumo
energeacutetico de 341 (de 3694 kWh a un 2434 kWh) en comparacioacuten al caso base
CocinaDormitorioSecundario
DormitorioPrimario
Living-Comedor
Bantildeo
Sin PCM 03 037 047 129 02
Con PCM 017 027 033 087 015
0
02
04
06
08
1
12
14
Dem
ada
En
erge
tica
(k
W)
Potencia Maxima de Disentildeo
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
65
Diego Sarabia Meacutendez
Para el segundo caso se evaluoacute un sistema de bomba de calor multisplit
al igual que en el caso anterior el material optimo corresponde al PCM 22HC se
observoacute una disminucioacuten de consumo energeacutetico de un 344 (de 688 kWh a un
451 kWh) en comparacioacuten al caso base
Para ambos casos se observoacute una notable reduccioacuten de los consumos
energeacuteticos en estacioacuten friacutea
Figura 41 (b) Caso 1 - Consumo energeacutetico en calefaccioacuten Lentildea con y sin
PCM en vivienda estudio
Fuente Elaboracioacuten Propia
Ene Feb Mar Abr May Jun Jul Ago Sept Oct Nov Dic
Sin PCM 75 79 138 267 477 604 626 498 408 271 147 104
PCM 18 37 34 73 188 424 579 602 440 347 185 85 60
PCM 21 31 27 64 167 397 547 570 405 313 161 71 53
PCM 22 13 11 39 138 354 506 528 357 275 130 49 34
0
200
400
600
800
1000
Co
nsu
mo
Co
mb
ust
ible
(k
Wh
)
Consumo Combustible Lentildea Mensual
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
66
Diego Sarabia Meacutendez
Figura 41 (c) Caso 2 - Consumo energeacutetico Bomba de calor con y sin PCM en
vivienda estudio
Fuente Elaboracioacuten Propia
Se identificoacute que la temperatura de fusioacuten maacutes baja de los PCM no es
viable en la optimizacioacuten del sistema pasivo en climatizacioacuten podriacutea ser explicado
por las variables temperatura exteriores dependiendo de las condiciones
climaacuteticas por su emplazamiento Por ejemplo de acuerdo con las cargas
maacuteximas de calefaccioacuten se debe a que la energiacutea en invierno aumento
estableciendo las temperaturas de confort teacutermico esta es una variable de
seleccioacuten del PCM que serviraacute para optimizar el disentildeo en funcioacuten del confort
teacutermico disminuyendo demanda energeacutetica perdidas caloriacuteficas y consumos
energeacuteticos de sistemas de calefaccioacuten activos
Seguacuten el estado de arte otro punto importante a comentar es tener en
cuenta que las curvas de entalpia y temperatura tanto para refrigeracioacuten y
calefaccioacuten deben ser lo maacutes cercana posible de lo contrario se produciriacutea una
Ene Feb Mar Abr May Jun Jul Ago Sept Oct Nov Dic
Sin PCM 14 15 26 50 89 112 116 92 78 50 27 19
PCM 18 7 6 14 35 79 107 112 82 64 34 16 11
PCM 21 57 5 12 31 74 101 106 75 58 30 13 10
PCM 22 23 2 72 256 66 936 976 662 511 24 9 63
0
20
40
60
80
100
120
Co
nsu
mo
Co
mb
ust
ible
(k
Wh
)Consumo Combustible Bomba de calor Mensual
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
67
Diego Sarabia Meacutendez
histeacuteresis o sub enfriamiento y afectariacutea considerablemente el rendimiento del
PCM en su aplicacioacuten
Para la implementacioacuten de sistemas activos sustentables en climatizacioacuten
se demuestra en el estudio que el aporte energeacutetico de los PCM es mantener la
temperatura constante dentro de los espacios interiores y ayudan tambieacuten a bajar
considerablemente los consumos energeacuteticos y es un aporte al medio ambiente
Para sistemas pasivos la eficiencia en los PCM en los muros exteriores
podriacutea incrementarse sugiriendo que haya acristalamiento a base de muros
cortina durante el diacutea lleva al PCM al proceso de cambio de fase de manera
estable en el tiempo debido a su almacenamiento teacutermico (F Ascione RF De
Masi F de Rossi S Ruggiero amp GP Vanoli 2016)
Ademaacutes la disminucioacuten de un 319 en potencia maacutexima de disentildeo para
equipos de climatizacioacuten arrojado en este estudio y un promedio de 33 en
reduccioacuten en consumo energeacutetico en los dos casos de climatizacioacuten propuestos
se puede inferir que los materiales cambio fase es capaz de contribuir a eficiencia
energeacutetica
412 Inversioacuten inicial y costos operativos en sistemas de calefaccioacuten con y sin PCM
Se hizo un anaacutelisis de los principales costos asociados a la adquisicioacuten de
los equipos y operacioacuten de eacutestos No se consideraraacute valor residual o de
salvamiento Para poder comparar la vida uacutetil a usar seraacute de 10 antildeos
Al obtener los valores de consumos energeacuteticos en las simulaciones de
los casos propuestos se visualiza una aproximacioacuten en demostrar el beneficio
econoacutemico que aporta los PCM a los sistemas activos Vease en figura 42
En el caso 1 sistema de calefaccioacuten a lentildea se observoacute una disminucioacuten
en los costos de operacioacuten anual de un 341 (de $88656 a un $58416)
($ 24 por kWh) (BES 2017) y en el caso 2 sistema de climatizacioacuten por bomba
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
68
Diego Sarabia Meacutendez
calor se observoacute una disminucioacuten en los costos de operacioacuten anual de un 344
(de $72928 a un $47795) ($ 106 por kWh) (BES 2017)
Figura 42 Inversioacuten inicial y costos operativos sistema climatizacioacuten con y sin
PCM en vivienda estudio
Fuente Elaboracioacuten Propia
42 Propuesta de aplicacioacuten PCM a caso base como sistema de actualizacioacuten
Seguacuten los resultados del comportamiento energeacutetico de la vivienda en
estudio con y sin PCM Se identificoacute un enfoque diferente e innovador para
sistemas pasivos de acondicionamiento ambiental o el aporte energeacutetico
significativo de los PCM a los sistemas activos para mantener su temperatura
constante en su operacioacuten
Una correcta ubicacioacuten del PCM a los muros exteriores de una vivienda en
estudio mostro significativamente un ahorro de energiacutea con respecto al caso
base esto se debe a la colocacioacuten del PCM en la particioacuten interna en los muros
exteriores emplazamiento de la vivienda tipo de encapsulacioacuten y orientacioacuten de
los muros con respecto al sol
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
Sin PCM PCM 22HC Inversion
Mil
es d
e p
eso
sInversion inicial y costos operativos en sistema
climatizacion
Caso 1 Sistema Calefaccion Lentildea Caso 2 Sistemas Bomba de Calor
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
69
Diego Sarabia Meacutendez
El tipo de encapsulacioacuten de acuerdo al panel constructivo mostro que debe
ser macro encapsulacioacuten con materialidad de aluminio para aumentar la
conductividad teacutermica de los materiales cambio fase que era una de sus
desventajas teacutecnicas
A traveacutes de este anaacutelisis se identificoacute que material de cambio de fase se
debe seleccionar de acuerdo a la aplicacioacuten pasiva en vivienda en estudio
considerando variables de seleccioacuten como cineacuteticas fiacutesicas quiacutemicas teacutermicas
y econoacutemicas
Finalmente se observoacute que es posible maximizar la eficiencia de la
energiacutea en mantener la temperatura constante en los espacios interiores con el
aporte energeacutetico de los sistemas pasivos cuando se usa materiales cambio fase
en los muros exteriores de la vivienda en estudio Ademaacutes el PCM con
temperatura de fusioacuten cercana a la temperatura confort logra un mayor
rendimiento energeacutetico seguacuten su emplazamiento y reduce considerablemente los
costos de operacioacuten de un sistema climatizacioacuten activo aportaacutendole energiacutea
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
70
Diego Sarabia Meacutendez
CONCLUSIONES
El trabajo reciente propone un anaacutelisis de optimizacioacuten del PCM a una
vivienda en estudio como una aplicacioacuten de actualizacioacuten a sistemas pasivos y
se evaluoacute el comportamiento energeacutetico de dos sistemas activos de climatizacioacuten
mediante el uso del software EnergyPlus
En este estudio se describe la seleccioacuten de materiales de cambio fase a
utilizar la encapsulacioacuten adecuada en base a la aplicacioacuten y propiedades de
disentildeo
En el anaacutelisis del comportamiento energeacutetico de la vivienda en estudio se
observoacute que el PCM adecuado seguacuten la temperatura de fusioacuten estaacute en el rango
de 18 a 22 degC cercano a la temperatura de confort teacutermico Para este estudio se
escogioacute el PCM 22HC ya que su comportamiento es ideal para la vivienda en
estudio arrojando un 319 (de 263 kW a un 179 kW) de reduccioacuten de
potencias maacuteximas de disentildeo en climatizacioacuten De acuerdo al PCM escogido se
analizoacute el comportamiento del consumo energeacutetico en dos sistemas de
climatizacioacuten Caso 1 Sistema calefaccioacuten a lentildea mostro una reduccioacuten del
consumo energeacutetico de 341 (de 3694 kWh a un 2434 kWh) Para el segundo
caso se evaluoacute un sistema de bomba de calor multisplit al igual que en el caso
anterior el material optimo corresponde al PCM 22HC se observa una
disminucioacuten de consumo energeacutetico de un 344 (de 688 kWh a un 451 kWh) en
comparacioacuten al caso base lo que implica una notable reduccioacuten de los consumos
energeacuteticos en la estacioacuten friacutea Ademaacutes junto con los valores de consumo
energeacutetico se evaluoacute los costos de operacioacuten anual arrojando una disminucioacuten
promedio de 34 debido al aporte de los PCM
En general estos resultados sostienen firmemente que es posible mejorar
la eficiencia del ahorro energeacutetico cuando los PCM se instala en los muros
exteriores maximizando los ahorros energeacuteticos Por lo tanto para lograr la
optimizacioacuten de la envolvente de la vivienda con aplicacioacuten PCM la temperatura
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
71
Diego Sarabia Meacutendez
de fusioacuten fue de 22 deg C y el macro encapsulamiento es de material de aluminio
mejorando su transmitancia teacutermica del flujo de calor en los paneles
constructivos dando como resultado una adecuada actualizacioacuten a la aplicacioacuten
y a la instalacioacuten de los PCM a la vivienda en estudio ubicada en Concepcioacuten
Chile
Los costos de implementacioacuten en la tecnologiacutea pasiva como los PCM tiene
un elevado valor debido al costo del transporte (Alemania) se podriacutea justificar
encargando por mayor estos insumos y aplicarlo a un lote de viviendas
Es importante aplicar el PCM optimizado considerando el enfoque y
variables de disentildeo como la condicioacuten climaacutetica temperatura de fusioacuten de PCM
encapsulamiento y irradiacioacuten solar
La implementacioacuten de esta tecnologiacutea demuestra que aporta en la
reduccioacuten de material particulado en zonas criacuteticas en contaminacioacuten y las
emisiones de CO2 aportando al medio ambiente
Se deberaacute tener en cuenta que las curvas de entalpia y temperatura de los
PCM tanto para refrigeracioacuten y calefaccioacuten deben ser lo maacutes cercana posible de
lo contrario se produciriacutea una histeacuteresis o subenfriamiento y afectariacutea
considerablemente el rendimiento del PCM en su aplicacioacuten
Como investigacioacuten adicional queda por explorar la optimizacioacuten de PCM
aplicado a paredes exteriores con persianas de acristalamiento o invernaderos
adosados al poseer mayor captacioacuten de energiacutea solar tendraacute un mayor
almacenamiento energeacutetico y retraso teacutermico en los muros aplicado con PCM y
obtener una segmentacioacuten de los datos climaacuteticos por zonas para investigar el
comportamiento energeacutetico en aplicaciones pasivas
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
72
Diego Sarabia Meacutendez
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ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
Estos datos demostraron una reduccioacuten significativa en energiacutea y
contribuyen a la eficiencia energeacutetica Se puede inferir que los PCM aportan
significativamente al medio ambiente en liberar menos cantidad de material
particulado reducir el consumo de combustibles foacutesiles y disminuir el CO2
liberado a la atmosfera
Palabras clave Materiales de cambio de fase Sustentabilidad
Construccioacuten de simulacioacuten teacutermica Eficiencia energeacutetica Vivienda de alta
inercia teacutermica
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
4
Diego Sarabia Meacutendez
ABSTRACT
Phase change materials (PCM) play an essential role in reducing energy
consumption in the construction sector They are considered promising for storing
and discharging thermal energy Using the Energy Plus software the thermal
behavior of two air conditioning systems in a study home was evaluated by
applying phase change materials to the exterior walls
It was observed that the melting temperature of 22 deg C close to the thermal
comfort temperature is the most optimal this helped to improve the performance
of the PCM material avoiding hysteresis or sub-cooling
Besides the construction system of the exterior wall was configured
concerning the location of the PCM in the interior envelope Also the design of
the construction solution with PCM is optimized in relation to the zoning data and
construction solutions of the MINVU For this study the PCM 22HC was chosen
as its behavior is ideal for the dwelling under study yielding a 319 (from 263
kW to 179 kW) reduction in maximum design powers in air conditioning
According to the chosen PCM the behavior of energy consumption in two air
conditioning systems was analyzed Case 1 Wood heating system showed a
reduction in energy consumption of 341 (from 3694 kWh to 2434 kWh) For the
second case a multisplit heat pump system was evaluated as in the previous
case the optimal material corresponds to the PCM 22HC a decrease in energy
consumption of 344 (from 688 kWh to 451 kWh kWh) compared to the base
case which implies a notable reduction in energy consumption in the cold season
Besides together with the energy consumption values the annual operating costs
were evaluated yielding an average decrease of 34 due to the contribution of
the PCM
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
5
Diego Sarabia Meacutendez
These data demonstrated a significant reduction in energy and contribute
to energy efficiency It can be inferred that PCM contributes significantly to the
environment in releasing less particulate matter reducing the consumption of
fossil fuels and reducing the CO2 released into the atmosphere
Key words Phase change materials Sustainability Thermal simulation
construction Energy efficiency High thermal inertia housing
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
6
Diego Sarabia Meacutendez
IacuteNDICE DE CONTENIDOS
AGRADECIMIENTOS 1
RESUMEN 2
ABSTRACT 4
IacuteNDICE DE CONTENIDOS 6
INDICE DE FIGURAS 9
INDICE DE TABLAS 11
INTRODUCCION 12
CAPITULO I ENUNCIADO DE LA INVESTIGACIOacuteN 15
11 Planteamiento del problema 16
12 Preguntas de investigacioacuten 19
13 Hipoacutetesis 19
14 Objetivos 20
142 Objetivos especiacuteficos 20
CAPITULO II MARCO TEOacuteRICO 21
21 Marco Teoacuterico 22
22 Materiales con cambio de fase (PCM) 22
221 Funcionamiento 23
222 Propiedades 24
223 Almacenamiento de energiacutea teacutermica 25
224 Clasificacioacuten 26
2241 PCM inorgaacutenicos sales hidratadas 27
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
2242 PCM orgaacutenicos parafinas aacutecidos grasos y mezclas orgaacutenicas 29
22421 Parafinas 31
22422 Aacutecidos Grasos 31
22423 Mezclas euteacutecticas 32
23 Criterios de seleccioacuten de los Materiales con Cambio se Fase 33
24 Vida uacutetil del material cambio fase 34
25 Aplicacioacuten en la construccioacuten 35
26 Encapsulacioacuten 37
261 Microcaacutepsulas 38
262 Macrocaacutepsulas 39
CAPITULO III MEacuteTODOS Y METODOLOGIacuteA 40
31 Herramienta de simulacioacuten de energiacutea 41
32 Descripcioacuten Vivienda en estudio 43
321 Meacutetodo de zona en software EnergyPlus 46
33 Datos meteoroloacutegicos 47
34 Jornadas de ocupacioacuten 48
35 Configuracioacuten envolvente por elemento y sistemas de climatizacioacuten 49
36 Caracterizacioacuten PCM 51
361 Seleccioacuten de Materiales Cambio Fase 52
362 Configuracioacuten del PCM en EnergyPlus 54
363 Cotizacioacuten PCM RT21 55
37 Caracterizacioacuten Macro encapsulacioacuten 56
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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371 Cotizacioacuten Macro encapsulacioacuten 56
38 Validacioacuten muro constructivo con PCM 57
381 Cumplimiento de la OGUC y Resistencia al fuego 58
CAPITULO IV RESULTADOS Y DISCUSIOacuteN 62
41 Comportamiento Energeacuteticos de los materiales cambio fase 63
411 Rendimiento energeacutetico de calefaccioacuten con y sin PCM 63
412 Inversioacuten inicial y costos operativos en sistemas de calefaccioacuten con y
sin PCM 67
42 Propuesta de aplicacioacuten PCM a caso base como sistema de
actualizacioacuten 68
CONCLUSIONES 70
REFERENCIAS 72
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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INDICE DE FIGURAS
Figura 21 Diagrama de proceso de cambio de fase Hielo ndash Vapor 23
Figura 22 Clasificacioacuten de los Materiales Cambio Fase 26
Figura 23 Estabilizacioacuten de la temperatura interior de un edificio por el efecto
de la inercia teacutermica 36
Figura 24 Espesor requerido de distintos materiales Vs Energiacutea termina 36
Figura 25 Microcaacutepsulas 38
Figura 26 Caacutepsulas de macro PCM (Contenedor plano Esfera Placas de
barra doble) 40
Figura 31 Descripcioacuten Vivienda en estudio 44
Figura 32 Modelo de zona en casa de estudio 46
Figura 33 Zona y sub-superficie de vivienda en estudio 47
Figura 34 Configuracioacuten datos meteoroloacutegico 48
Figura 35 Planilla de uso horario de un recinto 49
Figura 36 Planilla configuracioacuten envolvente por elemento 50
Figura 37 Planilla configuracioacuten rango de temperatura confort teacutermico 51
Figura 38 Planilla configuracioacuten del tipo de sistema de climatizacioacuten 51
Figura 39 Configuracioacuten del PCM en el software 54
Figura 310 Cotizacioacuten del material RT21 55
Figura 311 Modulo Almacenamiento Macro encapsulacioacuten 56
Figura 312 Cotizacioacuten Macro encapsulacioacuten 57
Figura 313 Sistema Constructivo Muro exterior con PCM en vivienda estudio
61
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
Figura 41 (a) Potencia maacutexima disentildeo con y sin PCM en vivienda estudio 64
Figura 41 (b) Caso 1 - Consumo energeacutetico en calefaccioacuten Lentildea con y sin
PCM en vivienda estudio 65
Figura 41 (c) Caso 2 - Consumo energeacutetico Bomba de calor con y sin PCM
en vivienda estudio 66
Figura 42 Inversioacuten inicial y costos operativos sistema climatizacioacuten con y sin
PCM en vivienda estudio 68
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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INDICE DE TABLAS
Tabla 21 Ventajas e inconvenientes de los PCM inorgaacutenicos 28
Tabla 22 Temperatura de fusioacuten de algunas sales hidratadas 29
Tabla 23 Ventajas e inconvenientes de los PCM orgaacutenicos 30
Tabla 24 Temperatura de fusioacuten de algunas parafinas 31
Tabla 25 Temperatura de fusioacuten de algunos aacutecidos grasos 32
Tabla 26 Clasificacioacuten de los PCMs 32
Tabla 27 Ventajas e inconvenientes de las microcapsulas 38
Tabla 28 Ventajas e inconvenientes de las Macrocaacutepsulas 39
Tabla 31 Resumen superficies de los distintos espacios vivienda en estudio
44
Tabla 32 Cumplimiento de la envolvente elementos constructivos de la
vivienda en estudio 44
Tabla 33 Especificaciones teacutecnicas de PCM a utilizar 52
Tabla 34 Clasificacioacuten de los edificios seguacuten su destino superficie edificada y
nuacutemero de pisos 58
Tabla 35 Resistencia al fuego para diferentes elementos de construccioacuten 59
Tabla 36 Tabique perimetral estructura madera en vivienda en estudio 60
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
INTRODUCCION
Debido al avance de la ciencia y la tecnologiacutea la calidad de vida y los
sistemas de produccioacuten en la industria han mejorado lo que ha aumentado el
consumo mundial de energiacutea en paiacuteses industrializados y las economiacuteas
emergentes Este aumento en el consumo de energiacutea tiene efectos nocivos sobre
el medio ambiente como el aumento de las emisiones de gases a la atmoacutesfera
entre otros Por lo tanto los paiacuteses estaacuten promoviendo cada vez maacutes nuevas
poliacuteticas energeacuteticas y promoviendo dos tipos de acciones para reducir las
emisiones entre otras aumentar la proporcioacuten de energiacutea renovable y promover
medidas de ahorro y eficiencia energeacutetica Debido a las crecientes
preocupaciones sobre el consumo de energiacutea se necesita urgentemente maacutes
investigacioacuten
Entre las medidas de eficiencia energeacutetica surge la necesidad de estudiar
el uso de energiacutea solar a traveacutes de la aplicacioacuten de materiales de cambio de fase
(PCM seguacuten sus siglas en ingleacutes Phase Change Materials) Estudios recientes
sobre materiales de cambio de fase han demostrado que hay varios aspectos
para mejorar en la aplicacioacuten y caracterizacioacuten de estos materiales (Anisur
2013)
Actualmente el sector de la construccioacuten contribuye considerablemente al
consumo total de energiacutea y las emisiones de gases de efecto invernadero a la
atmoacutesfera Los edificios consumen maacutes del 40 de la energiacutea primaria del
mundo que es responsable del 30 de las emisiones de gases de efecto
invernadero (Thorpe 2011)
A nivel local el sector residencial es responsable de las altas demandas
energeacuteticas equivalente a 23 del consumo energeacutetico nivel paiacutes Del parque
habitacional existente en Chile 75 fue construido sin consideraciones teacutermicas
y de eficiencia energeacutetica dicha situacioacuten provoca que el usuario asuma el costo
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
del consumo energeacutetico en calefaccioacuten y refrigeracioacuten para mantener la vivienda
en zona confort (Wegertseder 2015)
Tradicionalmente el consumo de energiacutea se reduce mediante el uso de
aislamiento teacutermico de alta calidad en la envolvente de un edificio para reducir la
transferencia de calor entre el interior y exterior (Zhou D Tian Y Qu Y amp
Chen Y K 2016) Un aumento en la eficiencia de los sistemas de calefaccioacuten
ventilacioacuten y aire acondicionado (HVAC) tambieacuten ha sido responsable de una
reduccioacuten en el consumo de energiacutea sin embargo las mejoras en la eficiencia
energeacutetica no deben limitarse a estos enfoques
Un estudio de investigacioacuten describioacute que el aumento de la inercia teacutermica
del edificio reduce la cantidad de energiacutea utilizada para calefaccioacuten y refrigeracioacuten
(Ling H Chen C Qin H Wei S Lin J Li N) ya que reduce las
fluctuaciones en la temperatura interior ayudando a mantener el espacio interno
dentro del rango de confort teacutermico y reduciendo la necesidad de utilizar sistemas
de aire acondicionado
El almacenamiento de energiacutea se puede implementar mediante calor
sensible aumentando y disminuyendo la temperatura de los recubrimientos de
edificios o mediante calor latente Con la inclusioacuten de materiales de cambio de
fase conduce a una mayor densidad de energiacutea teacutermica Los materiales de
cambio de fase estaacuten asociados con el almacenamiento de calor latente (LHS)
con su principal ventaja de tener una alta densidad de almacenamiento a
temperatura constante Por lo tanto los materiales de cambio de fase han
demostrado que su almacenamiento de energiacutea teacutermica latente se puede utilizar
para calentar y enfriar a sistemas de construccioacuten pasivos o activos (B Zalba J
Marin L Cabeza y H Mehling 2003)
Investigaciones maacutes recientes han estudiado sus propiedades fiacutesicas
quiacutemicas cineacuteticas y especialmente teacutermicas para seleccionar el material de
cambio de fase maacutes adecuado para la presente investigacioacuten (Ramiacuterez A
Santos A amp Gonzaacutelez N 2012)
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
El intereacutes sostenido en comprender la importancia de los materiales de
cambio fase llevoacute a investigar el disentildeo del elemento constructivo con los PCM
incorporados para reducir la demanda energeacutetica de la vivienda en estudio y
contribuir a mejoras de condiciones de habitualidad Aquiacute se utilizoacute la
herramienta simulacioacuten Energy Plus para evaluar el rendimiento teacutermico de una
vivienda en estudio ubicada en la ciudad de Concepcioacuten de la regioacuten del Biacuteo-Biacuteo
Chile
En este estudio se demostroacute que es posible maximizar la eficiencia del
ahorro de energiacutea en sistemas activos de climatizacioacuten al optimizar el PCM
aplicado a las paredes exteriores Se identificoacute que los materiales de cambio de
fase son una contribucioacuten a la implementacioacuten del acondicionamiento pasivo
debido a su gran almacenamiento energeacutetico
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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CAPITULO I ENUNCIADO DE LA INVESTIGACIOacuteN
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
11 Planteamiento del problema
En la actualidad las necesidades energeacuteticas a nivel mundial han
aumentado de manera significativa por distintas razones Hoy en diacutea los edificios
consumen maacutes del 40 de la energiacutea primaria del mundo que son responsables
del 30 de las emisiones de gases de efecto invernadero (Thorpe 2011)
A nivel local el sector residencial es responsable de las altas demandas
energeacuteticas equivalente a 23 del consumo energeacutetico nivel paiacutes Del parque
habitacional existente en Chile 75 fue construido sin consideraciones teacutermicas
y de eficiencia energeacutetica dicha situacioacuten provoca que el usuario asuma el costo
del consumo energeacutetico para mantener la vivienda en zona confort (Wegertseder
2015)
Se estima que el sector de la construccioacuten es el responsable de generar
el 33 del total de emisiones de gases de efecto invernadero (MINVU 2018)
A traveacutes de un estudio realizado el antildeo 2019 por la Caacutemara Chilena de
la Construccioacuten sobre los usos de la energiacutea en el sector residencial declara que
el 53 del consumo total de la vivienda chilena es destinado a calefaccioacuten (CDT
2019)
Una forma eficiente de reducir el consumo de energiacutea para calefaccioacuten o
refrigeracioacuten en los espacios es aumentar la inercia teacutermica de un edificio De
esta manera las temperaturas interiores son menos sensibles a las variaciones
de la temperatura exterior y se requiere menos energiacutea para mantenerlas en el
rango de confort teacutermico Un edificio con una estructura de marco de concreto
tendraacute una mayor inercia teacutermica que un edificio con una estructura de marco de
acero o madera (Soares N Costa J J Gaspar A R amp Santos P 2013) Una
forma de aumentar la inercia teacutermica de un edificio es utilizar el almacenamiento
de calor latente (LHS) que es la energiacutea que almacena un material cuando sufre
un cambio de fase (Akeiber H Nejat P Majid M Z A Wahid M A
Jomehzadeh F Zeynali Famileh IZaki S A 2016)
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
El material de cambio de fase (PCM) es un tipo de material que
experimenta un cambio de fase en este caso de liacutequido a soacutelido a una
temperatura dentro del rango de confort teacutermico Este tipo de material tiene la
capacidad de almacenar grandes cantidades de energiacutea en comparacioacuten con los
materiales de construccioacuten tradicionales que solo almacenan calor sensible Por
ejemplo una pared que contiene PCM con 25 mm de espesor almacena
aproximadamente la misma energiacutea que una pared de concreto con 420 mm de
espesor (Al-Saadi S N amp Zhai Z 2013) Los PCM tienen un gran potencial
para aumentar la inercia teacutermica de un edificio debido a su gran LHS por lo tanto
son especialmente uacutetiles en edificios de construccioacuten livianas en seco como
estructuras reticulares en madera o acero galvanizados (Marin P Saffari M de
Gracia A Zhu X Farid M M Cabeza L F amp Ushak S 2016) Esto permite
que el edificio tenga menor peso un aacuterea uacutetil mayor y auacuten mantenga una alta
inercia teacutermica
Cuando los PCM cambian su estado de liacutequido a soacutelido liberan calor
latente y cuando cambian de soacutelido a liacutequido absorben calor latente Cuando este
proceso ocurre a una temperatura entre 19-27 degC el material contribuye a
aumentar el confort teacutermico porque ayuda a mantener la temperatura interna
dentro de este rango Durante el diacutea cuando hay demasiadas ganancias de
radiacioacuten solar este material cambia su fase de soacutelido a liacutequido absorbiendo
calor y evitando un aumento significativo de la temperatura interior Por la noche
cuando la temperatura exterior baja el material cambia su fase de liacutequido a
soacutelido liberando calor y evitando una gran disipacioacuten de energiacutea en el interior de
la vivienda (Jamil H Alam M Sanjayan J amp Wilson J 2017)
Durante el verano puede ocurrir un sobrecalentamiento en el muro y
hacer que se use un PCM que se derrita a altas temperaturas (alrededor de
26 degC) ya que evitaraacute que la temperatura de una habitacioacuten elevaacutendose por
encima del rango de confort teacutermico Si el objetivo es la estabilizacioacuten de la
temperatura interior en la zona de confort un PCM que se derrita a 23 degC deberiacutea
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
ser la mejor opcioacuten En el invierno puede ser necesario evitar que la temperatura
de una habitacioacuten baje por debajo del rango de confort teacutermico y en este caso
se recomienda un PCM que solidifique alrededor de 21 degC (Soares N Gaspar
A R Santos P amp Costa J 2014)
Esta tecnologiacutea no solo tiene el potencial de ahorrar cantidades
considerables de energiacutea y emisiones de CO2 sino que tambieacuten se puede utilizar
para aprovechar los precios pico de electricidad utilizando las unidades de aire
acondicionado cuando hay una menor demanda en la red eleacutectrica Por ejemplo
en invierno la unidad de aire acondicionado (AC) podriacutea funcionar durante la
noche produciendo calor que seriacutea absorbido por el tablero PCM y luego liberado
por eacutel durante el diacutea cuando los precios de la electricidad son mucho maacutes altos
(Devaux P amp Farid M 2017) Esto tambieacuten como la ventaja de evitar el ruido y
las corrientes de aire causadas por las unidades de CA durante las horas de
trabajo de una oficina
Aunque esta tecnologiacutea tiene un gran potencial en almacenar energiacutea
con respecto a otros materiales existe el problema de la baja transferencia de
calor porque estos materiales generalmente tienen baja conductividad teacutermica lo
que hace que la absorcioacuten y liberacioacuten de calor por parte del PCM sea mucho
maacutes difiacutecil (Fan L amp Khodadadi J M 2011)
Para aprovechar la gran capacidad de almacenamiento de calor latente
la temperatura de una zona debe estar cerca de la temperatura de cambio de
fase de lo contrario un PCM solo almacena calor sensible que es insignificante
en comparacioacuten al calor latente (Chwieduk 2013)
Investigadores concluyen sobre acondicionamiento teacutermico en
envolventes de viviendas utilizando materiales de cambio de fase que la
implementacioacuten adecuada de los PCM en una edificacioacuten puede un 35 reducir
el consumo energeacutetico y por lo tanto es posible usar equipos de
acondicionamiento teacutermico de menor potencia e incluso prescindir de ellos (Bello
R E Muntildeoz M M Vasco C 2015)
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
En el desarrollo de aplicaciones para los PCM un investigador disentildeoacute un
muro con material de cambio de fase y para probar su funcionamiento utilizoacute dos
habitaciones ideacutenticas En la primera habitacioacuten los muros teniacutean un enlucido de
yeso normal y en la segunda habitacioacuten el muro poseiacutea una placa de yeso
revestido con micro encapsulacioacuten de PCM (50 butil estearato y 48 palmitato
de butilo) Resultoacute que la habitacioacuten con material cambio de fase una reduccioacuten
energeacutetica de 22 (Scalat S Banu D Hawes D Paris J Haghighata F
Feldman D 1996)
Los investigadores a nivel mundial han creado estrategias para
solucionar el consumo energeacutetico En Chile auacuten no se analiza en forma
sistemaacutetica considerando que seriacutea de gran ayuda para disminuir el consumo
energeacutetico residencial
Por todo lo anteriormente mencionado se establece que esta
investigacioacuten estaraacute orientada al estudio de materiales con cambio de fase
simulando su comportamiento teacutermico de una vivienda en estudio ubicada en la
ciudad de Concepcioacuten de la regioacuten del Biacuteo-Biacuteo utilizando el software Energy Plus
12 Preguntas de investigacioacuten
iquestEs posible disminuir la demanda energeacutetica de una vivienda en estudio
incorporando materiales con cambio de fase
iquestQueacute material PCM es conveniente utilizar en los muros de la vivienda en
estudio
iquestQueacute comportamiento tendraacuten los PCM en la simulacioacuten
13 Hipoacutetesis
Se puede mejorar la habitabilidad y reducir un 30 la demanda energeacutetica
de una vivienda en estudio en la ciudad de Concepcioacuten mejorando el
almacenamiento teacutermico de sus muros incorporando material con cambio de fase
(PCM)
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
14 Objetivos
141 Objetivo general
Proponer una metodologiacutea de evaluacioacuten en funcioacuten de la realidad local
que permitiraacute analizar la potencialidad en aplicar los materiales cambio de fase
en las construcciones chilenas contribuyendo a mejorar las condiciones de
habitabilidad
142 Objetivos especiacuteficos
Identificar materiales con cambio de fase (PCM) utilizados como estrategia
de calefaccioacuten pasiva en edificacioacuten Con la validacioacuten de todos los
reglamentos en Chile
Definir el sistema constructivo del muro exterior en cuanto a la ubicacioacuten
del PCM
Definir materiales con cambio de fase en relacioacuten de sus propiedades
teacutermicas para realizar simulacioacuten energeacutetica
Definir metodologiacutea de caacutelculo y estimar ahorros energeacuteticos para la zona
en funcioacuten del material base
Obtener simulaciones de demanda energeacutetica para la vivienda en estudio
con y sin materiales de cambio de fase incorporados en sus muros
mediante el software Energy Plus
Optimizar el disentildeo de la solucioacuten constructiva con PCM en relacioacuten a los
datos de la zonificacioacuten
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
CAPITULO II MARCO TEOacuteRICO
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
21 Marco Teoacuterico
A continuacioacuten se nombraraacute conceptos esenciales que aborda la
investigacioacuten tales como aislacioacuten teacutermica conductividad teacutermica confort
teacutermico y Inercia teacutermica
Cabe de destacar que la inercia teacutermica juega un papel importante en los
sistemas de calefaccioacuten pasiva ya que el retraso teacutermico puede ser mayor o
menor dependiendo el espesor y materialidad
La inercia teacutermica permite ir liberando el calor acumulado en los elementos
compuestos por materiales pesados en la vivienda de manera tal que durante
la noche cuando la temperatura desciende esta baja sea amortiguada por el calor
cedido
En el verano la envolvente se encuentra expuesta a la radiacioacuten solar y al
soleamiento por lo tanto debe ser capaz de almacenar el calor obtenido desde
el exterior y asiacute evitar que la temperatura en el interior del recinto sea elevada
durante el diacutea generando una peacuterdida de confort (CCHC 2010)
22 Materiales con cambio de fase (PCM)
Un PCM es una sustancia capaz de almacenar y liberar energiacutea del medio
que le rodea manteniendo la temperatura constante durante la transferencia de
calor Este intercambio de energiacutea se denomina calor latente de un material y se
produce durante el cambio de fase del mismo El intereacutes de estos materiales es
que durante el cambio de fase la temperatura media se mantiene constante
mientras el material absorbe o libera energiacutea durante la etapa de fusioacuten o
solidificacioacuten del material Esto supone una mayor densidad energeacutetica en este
proceso respecto a un intercambio por calor sensible
En una investigacioacuten sobre PCM afirma que estos mediante su calor
latente de fusioacuten almacenan de 5 a 14 veces maacutes calor por unidad de volumen
que materiales por almacenamiento de calor sensible como el agua albantildeileriacutea
o rocas entre otras (Sharma 2009)
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
23
Diego Sarabia Meacutendez
Para la investigacioacuten se estudioacute materiales cambio fase de estado liacutequido-
solido ya que aunque la cantidad de energiacutea almacenada es inferior que entre
otros cambios de estado (solido-gas) la variacioacuten de volumen del estado es
menor
221 Funcionamiento
La mejor forma para explicar el funcionamiento de estos materiales es
estudiando el proceso de cambio de fase del agua en estado liacutequido el agua va
aumentando su temperatura progresivamente hasta alcanzar los 100degC Una vez
alcanza esta temperatura empieza su cambio de estado en el cual absorberaacute
calor pero mantendraacute una temperatura constante de 100degC hasta que finalice su
cambio de fase y todo el liacutequido se haya convertido en vapor De manera inversa
ocurre cuando la temperatura del agua disminuye hasta alcanzar los 0degC En este
caso el agua empezaraacute a liberar calor y durante este proceso mantendraacute su
temperatura constante en 0degC hasta que complete su solidificacioacuten y todo el
liacutequido se haya convertido en hielo (B Zalba J Marin L Cabeza y H Mehling
2003)
En la Figura 21 se observa coacutemo la temperatura se mantiene constante
en 0degC formando una recta horizontal durante su cambio de fase y posteriormente
en 100degC hasta que se convierte en vapor
Figura 21 Diagrama de proceso de cambio de fase Hielo ndash Vapor
Fuente (B Zalba J Marin L Cabeza y H Mehling 2003)
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
Del mismo modo actuacutean los PCM cada uno tiene su propia temperatura
de cambio de fase y gracias a las variaciones de temperatura entre el diacutea y la
noche ocurren los ciclos de fusioacuten y solidificacioacuten de estos materiales resultando
en la absorcioacuten maacutexima de energiacutea durante el diacutea cuando las temperaturas
suben y la disipacioacuten de eacutesta en la noche cuando la temperatura ambiente baja
La energiacutea utilizada para cambiar el estado del material dado que la temperatura
de cambio de fase es aproximada a la temperatura ambiente de confort deseada
daraacute lugar a un clima interior maacutes estable y coacutemodo asiacute como tambieacuten reduciraacute
las cargas de enfriamiento y calefaccioacuten en horas pico especialmente en
aquellas edificaciones con baja masa teacutermica (S E Kalnaes and B P Jelle
2015)
222 Propiedades
A continuacioacuten se describiraacuten las propiedades maacutes relevantes que definen un
material de cambio de fase (Oroacute 2012)
a) Propiedades Termofisica
Temperatura de fusioacuten (Tf) en el rango de funcionamiento seguacuten la
aplicacioacuten
Alto calor latente de fusioacuten (ΔHf) por unidad de volumen
Alto calor especiacutefico para proporcionar calor sensible adicional
significativo
Alta conductividad teacutermica en fase soacutelida y liacutequida (buena transferencia de
calor)
Baja variacioacuten de volumen en el cambio de fase y baja presioacuten de vapor a
la temperatura de funcionamiento
Fusioacuten congruente del material de cambio de fase con cada ciclo de
solidificacioacutenfusioacuten con el miacutenimo sub-enfriamiento
Cambio de fase ciclo continuo con termino de vida uacutetil
Alta densidad
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
b) Propiedades quiacutemicas
Ciclo de solidificacioacutenfusioacuten reversible y completo
Baja degradacioacuten despueacutes de un elevado nuacutemero de ciclos de
fusioacutensolidificacioacuten
No corrosivo para los materiales encapsulados
No toacutexico no inflamable y no explosivo
c) Econoacutemicas
Abundante y disponible
Rentable en relacioacuten al ahorro energeacutetico y costos del material
Faacutecil reciclaje y tratamiento quiacutemicos
223 Almacenamiento de energiacutea teacutermica
La necesidad de almacenamiento energeacutetico y de buscar formas de
acondicionamiento pasivo es lo que inspira a la investigacioacuten a centrarse en el
almacenamiento teacutermico Es fundamental para el desarrollo del paiacutes disminuir la
demanda energeacutetica sin sacrificar el confort (PRIEN 2002)
En esta seccioacuten de la investigacioacuten se daraacute a conocer las formas de
almacenamiento teacutermico existentes y dando eacutenfasis al almacenamiento
energeacutetico por calor latente donde pertenecen los materiales de cambio fase
(PCM)
El equilibrio termodinaacutemico de los PCM se debe principalmente a los
intercambios de calor con el entorno externo El tiempo para que el PCM alcance
el nuevo equilibrio termodinaacutemico es el tiempo necesario para que el calor sea
intercambiado con el espacio a climatizar Los paraacutemetros baacutesicos de los
materiales de cambio de fase incluyen seguacuten ecuacioacuten (1)
bull Capacidad caloriacutefica [J kg]
119876 = int 119862119901119904 119889119905 + 119862119898 + int 119862119901119897 119889119905 cong 119862119901119904(119879119898 minus 1198791) + 119862119898 + 1198792
119879119898
119879119898
1198791
119862119901119897(1198792 minus 1198791)
Ec 1
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
26
Diego Sarabia Meacutendez
Donde 119862119901119904 o 119862119901119897 Calor especiacutefico soacutelido y liacutequido kJ(kg times K) 119862119898 Calor
de transformacioacuten de fase (fusioacuten) kJ(kg times K) Tm - temperatura de transicioacuten
de fase (fusioacuten) T1 T2 rango de temperatura de funcionamiento de operacioacuten
224 Clasificacioacuten
Actualmente existe un gran nuacutemero de materiales cambio fase que han
sido investigados debido a que poseen una temperatura y un alto calor latente
de fusioacuten dentro del rango operacional deseado sin embargo exceptuando por
esta caracteriacutestica la mayoriacutea de estos materiales no satisfacen los otros
criterios necesarios para un medio de almacenamiento adecuado (Sharma
2009)
Aquellos que siacute responden a estas prestaciones y se encuentran disponibles en
el mercado pueden ser clasificados en tres grandes grupos orgaacutenicos
inorgaacutenicos y euteacutecticos (V Tyagi amp D Buddhi 2007)
Figura 22 Clasificacioacuten de los Materiales Cambio Fase
Fuente Elaboracioacuten Propia
Materiales Cambio Fase
Organico
Parafina Acido Graso
Inorganico
Sal Hidratada
Metalico
Eutectico
Inorganico -Inorganico
Inorganico -Organico
Organico -Organico
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
27
Diego Sarabia Meacutendez
Los materiales de cambio de fase liquido-solido maacutes comunes estaacuten en el
rango de temperaturas entre 20degC y 80 degC son las ceras de parafina sales
hidratadas mezclas euteacutecticas y aacutecidos grasos
Las ceras de parafina estaacuten disponibles en el mercado pero su calor
latente (hasta 200 kJkg) es solo la mitad del de las sales hidratadas
Las sales hidratadas son maacutes econoacutemicas que las ceras de parafina y
tambieacuten estaacuten disponibles en el mercado pero tienen algunas desventajas como
las bajas temperaturas de fusioacuten o la corrosioacuten en contacto con metales
En las mezclas euteacutecticas intervienen dos componentes con punto de
fusioacuten (solidificacioacuten) maacutes bajo que el que poseen los compuestos
individualmente Esto hace que la mezcla alcance el punto de congelacioacuten maacutes
bajo posible y ambos se solidifiquen a esa temperatura euteacutectica (Ramiacuterez A
Santos A amp Gonzaacutelez N 2012)
Los PCM tienen una significativa capacidad de almacenar calor por medio
del cambio de estado pero es necesario tener en cuenta los paraacutemetros de
disentildeo del problema y las ventajas y desventajas de los diferentes tipos de
materiales para determinar cuaacuteles son los maacutes apropiados de utilizar en la
construccioacuten dependiendo de sus diferentes caracteriacutesticas y maacutes importante
aun dependiendo de si su temperatura de cambio de fase se acerca a la
temperatura de confort
2241 PCM inorgaacutenicos sales hidratadas
Seguacuten varios investigadores estos materiales fueron muy estudiados en
las primeras etapas de investigacioacuten de PCM por su bajo costo y su capacidad
de almacenamiento de grandes cantidades de calor por unidad de volumen en
comparacioacuten con las sustancias orgaacutenicas que las convierten en candidatos
idoacuteneos para sus muacuteltiples aplicaciones en el aacutembito del almacenamiento de
energiacutea
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
28
Diego Sarabia Meacutendez
La buacutesqueda de sustancias con temperatura de cambio de fase proacutexima a
la temperatura ambiente no ha encontrado buenos candidatos dentro de este
grupo y las investigaciones se han dirigido maacutes hacia las sustancias orgaacutenicas
Tabla 21 Ventajas e inconvenientes de los PCM inorgaacutenicos
Ventajas Inconvenientes
Econoacutemicos Problemas en el encapsulado y preparacioacuten
del material
Elevada densidad de
almacenamiento teacutermico
Para un uso prolongado necesita de aditivos
Elevada conductividad teacutermica Son susceptibles de sub enfriamiento
(Inestables)
Temperatura de cambio de fase
claramente definida
Debido a la inestabilidad teacutermica y histeacuteresis
se debe aplicar aditivos para evitar una fusioacuten
incongruente en su aplicacioacuten donde puede
reducir su capacidad de almacenamiento de
calor latente
No inflamables Potencialmente corrosivos con algunos
metales
Reciclables y biodegradables
Fuente (Ramiacuterez A Santos A amp Gonzaacutelez N 2012)
Las sales hidratadas tienen algunas propiedades atractivas como los
elevados valores de calor latente no son inflamables y su elevado contenido
hiacutedrico significa que son baratos y muy disponibles Sin embargo sus
caracteriacutesticas de inadaptacioacuten (corrosioacuten inestabilidad dificultades de re-
solidificacioacuten y tendencia al sub enfriamiento) han implicado la realizacioacuten de
estudios hasta la actualidad para poder manejar estas desventajas y realizar su
correcta aplicacioacuten Necesitan por tanto un contenedor para utilizarlos como
aditivos de otros materiales (Ramiacuterez A Santos A amp Gonzaacutelez N 2012)
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
29
Diego Sarabia Meacutendez
Tabla 22 Temperatura de fusioacuten de algunas sales hidratadas
PCM Temperatura
fusioacuten (ordmC)
Q fusioacuten (kJkg)
KFmiddot4H2O 185 231
Na2SO4middot10H2O 324 254
CaCl2middot6H2O 24ndash29 192
CaCl2middot6H2O+Nucleador+MgCl2middot6H2O 23 -
Fuente (Ramiacuterez A Santos A amp Gonzaacutelez N 2012)
En la tabla 21 se muestran algunas ventajas y desventajas de los PCM
inorgaacutenicos y en la tabla 22 se muestran las temperaturas de fusioacuten de las sales
hidratadas que permiten determinar cuaacuteles son las oacuteptimas para utilizar en
aislacioacuten (las cuales su temperatura de fusioacuten se acerca a la temperatura de
confort)
2242 PCM orgaacutenicos parafinas aacutecidos grasos y mezclas orgaacutenicas
Los PCM orgaacutenicos poseen unas caracteriacutesticas que los hacen muy uacutetiles
en su aplicacioacuten en determinados elementos constructivos para almacenamiento
de calor latente
Investigadores determinaron que son maacutes estables quiacutemicamente que las
sustancias inorgaacutenicas funden y solidifican convenientemente sin necesidad de
agentes nucleadores y no sufren sub-enfriamiento o histeacuteresis (Gawron 1981)
No obstante se ha demostrado que son maacutes compatibles y adecuados para la
adsorcioacuten en varios materiales constructivos Aunque el costo inicial en materia
prima de un PCM orgaacutenico es superior al de un inorgaacutenico su costo final es
competitivo
Sin embargo estos materiales tienen otras desventajas la maacutes
significativa es que son inflamables y que emiten gases nocivos durante su
combustioacuten Otros problemas menos extendidos son las reacciones con los
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
productos de la hidratacioacuten en hormigoacuten (hidroacutexido de calcio) envejecimiento por
oxidacioacuten y cambios de olor
Muchos de estos inconvenientes se han eliminado Se ha visto que el
envejecimiento por oxidacioacuten de los PCM puede inhibirse utilizando un oxidante
adecuado Se estaacute investigando tambieacuten en la emisioacuten de gases y la
inflamabilidad de algunos de los PCM maacutes efectivos para establecer un radio de
ignicioacuten Tambieacuten se estaacute investigando sobre la compatibilidad de los PCM con
el hormigoacuten (Ramiacuterez A Santos A amp Gonzaacutelez N 2012)
En la tabla 23 se muestran algunas ventajas y desventajas de los PCM
orgaacutenicos y en la tabla 24 y 25 se muestran las temperaturas de fusioacuten de las
parafinas y aacutecidos grasos que permiten determinar cuaacuteles son las oacuteptimas para
utilizar en aislacioacuten (las cuales su temperatura de fusioacuten se acerca a la
temperatura de confort)
Tabla 23 Ventajas e inconvenientes de los PCM orgaacutenicos
Ventajas Inconvenientes
Faacuteciles de usar Calor latente y entalpiacutea maacutes bajos
Estabilidad teacutermica y quiacutemica Baja conductividad teacutermica
No sufren subenfriamiento Amplio rango de fusioacuten
No necesitan agente nucleador para
solidificar
Inflamables
No corrosivos Reaccioacuten potencial con hormigoacuten
Reciclables y ecoloacutegicamente inocuos Alto costo
Compatibilidad con materiales de construccioacuten convencionales
Fuente (Ramiacuterez A Santos A amp Gonzaacutelez N 2012)
Dentro de los PCM orgaacutenicos se pueden encontrar tres grupos de
sustancias diferentes parafinas aacutecidos grasos y mezclas orgaacutenicas A
continuacioacuten se presenta una pequentildea descripcioacuten de estos (Ramiacuterez A
Santos A amp Gonzaacutelez N 2012)
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
31
Diego Sarabia Meacutendez
22421 Parafinas
Las parafinas son esencialmente un alcalino solido refinado Muestran dos
rangos de enfriamiento un rango maacutes estrecho para un breve periodo de tiempo
y un rango maacutes extenso que ocurre durante un periodo maacutes amplio Ambos se
interpretan como una transicioacuten de liacutequido a amorfo-soacutelida y amorfo-solida a
cristalino-solida respectivamente Parte del calor latente total de fusioacuten se
almacena en la sustancia durante cada una de estas transiciones
Tabla 24 Temperatura de fusioacuten de algunas parafinas
PCM Temperatura fusioacuten (ordmC) Q fusioacuten (kJkg)
Hexadecano 18 236
Heptadecano 22 214
Octadecano 28 244
Parafina 20ndash60 200
RT25 25 147
Fuente (Ramiacuterez A Santos A amp Gonzaacutelez N 2012)
22422 Aacutecidos Grasos
Los aacutecidos grasos derivados de productos animales y vegetales estaacuten
constituidos por una larga cadena alifaacutetica maacutes de 12 carbonos Su cadena
alquiacutelica puede ser saturada o insaturada
En general muestran excelentes caracteriacutesticas teacutermicas (punto de fusioacuten
y congelacioacuten) El rango de temperatura de refrigeracioacuten es grande y no se
produce sub enfriamiento aunque en algunos casos se han detectado Estos
materiales sin embargo tienen elevado costo pudieacutendose utilizar en dispositivos
especiales de almacenamiento de calor o frio
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
Tabla 25 Temperatura de fusioacuten de algunos aacutecidos grasos
PCM Temperatura fusioacuten (ordmC) Q fusioacuten (kJkg)
Caacuteprico 315 158
Laacuteurico 42-44 179
Pentadecano 52 159
Miriacutestico 54 190
Palmiacutetico 63 183
Esteaacuterico 70 196
Eritrol 116-118 126
Fuente (Ramiacuterez A Santos A amp Gonzaacutelez N 2012)
2243 Mezclas euteacutecticas
Tambieacuten existen las mezclas euteacutecticas que puede ser la mezcla de 2
PCM orgaacutenicos de 2 PCM inorgaacutenicos o de un PCM Orgaacutenico maacutes un PCM
inorgaacutenico A continuacioacuten en la tabla 26 se muestra la clasificacioacuten de los PCM
Tabla 26 Clasificacioacuten de los PCMs
Tipo PCM Composicioacuten
Orgaacutenicos Compuestos de parafina
Compuestos sin parafina
Inorgaacutenicos Sales hidratadas
Metaacutelicos
Euteacutecticos Orgaacutenico-Orgaacutenico
Orgaacutenico-Inorgaacutenico
Inorgaacutenico-Inorgaacutenico
Fuente (JuarezD Balart R Ferrandiz S amp Garcia D 2012)
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
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Diego Sarabia Meacutendez
23 Criterios de seleccioacuten de los Materiales con Cambio se Fase
Es muy importante la correcta seleccioacuten del material de cambio de fase
dependiendo del campo en que se desee utilizar por lo que a continuacioacuten se
presentaran algunos criterios para seleccionar un PCM correctamente Estos
criterios son propuestos seguacuten una investigacioacuten realizada en Espantildea (Ramiacuterez
A Santos A amp Gonzaacutelez N 2012)
a) Fiacutesicas
bull La densidad del liacutequido y del solido deben ser similares y preferiblemente
elevadas para poder almacenar mayor cantidad de calor por unidad de volumen
bull Variacioacuten de volumen (en el cambio de fase) bajo
b) Cineacuteticas
bull Evitar el problema de histeacuteresis subenfriamiento o retardo al inicio de la
solidificacioacuten como ocurre en los PCM inorgaacutenicos que se produce al no ceder
el calor latente de un PCM pese a que su temperatura sea inferior al punto de
congelacioacuten
c) Quiacutemicas
bull El proceso de cambio de fase debe ser totalmente reversible y solo dependiente
de la temperatura
bull Ser quiacutemicamente estables en el tiempo evitando su descomposicioacuten y
contaminacioacuten
bull No presentar segregacioacuten de fases
bull Ser compatibles con los materiales de encapsulado y otros con los que esteacute en
contacto estabilidad quiacutemica para evitar oxidacioacuten descomposicioacuten teacutermica
hidroacutelisis corrosioacuten y otras reacciones
bull No inflamables y resistentes al fuego
d) Teacutermicas
bull La temperatura de cambio de fase debe ser adecuada a cada aplicacioacuten
particular
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
bull Presentar una temperatura de fusioacuten definida o al menos el cambio de fase
debe producirse en un valor discreto o en un pequentildeo intervalo de temperaturas
bull Poseer una gran capacidad de almacenamiento de calor sensible (calor
especiacutefico) en estado soacutelido y liacutequido y elevada entalpia de cambio de fase calor
latente
bull Poseer una alta conductividad teacutermica para facilitar la transferencia de calor
e) Econoacutemicas
bull Estar disponible en grandes cantidades a bajo costo para que sean viables
teacutecnica y econoacutemicamente
bull Tener un razonable ciclo de vida uacutetil de acuerdo con su costo
24 Vida uacutetil del material cambio fase
El tiempo de vida uacutetil de un PCM viene determinado por la cantidad de
ciclos teacutermicos que es capaz de soportar un material manteniendo su estabilidad
teacutermica El PCM es sometido a repetidos ciclos de calentamiento y enfriamiento
en los que el material cambia de fase de soacutelido a liacutequido y posteriormente vuelve
a cambiar de fase de liacutequido a soacutelido Se miden sus propiedades teacutermicas en
temperaturas fusioacuten y entalpias obteniendo el nuacutemero de ciclos en los que las
propiedades teacutermicas del material no variacutean de forma considerable
Tras realizar una exhaustiva buacutesqueda existe muy poca bibliografiacutea
acerca de la degradacioacuten teacutermica de los PCM y la determinacioacuten de su tiempo de
uso especialmente en aplicaciones para edificacioacuten donde la vida uacutetil del material
debe ser elevada
Aunque es complicado conocer la vida uacutetil real de estos materiales y en
queacute momento dejan de conservar sus propiedades adecuadas para las
aplicaciones a las que se destina existen algunos artiacuteculos basados en
experimentos realizados en laboratorios de materiales sometidos a ciclos
teacutermicos acelerados para determinar si en un nuacutemero de ciclos el material
mantiene sus propiedades teacutermicas intactas (temperaturas fusioacuten y entalpias)
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
Algunos materiales son sometidos a 50 100 1000 o hasta 5000 ciclos teacutermicos
Pero el problema es determinar si ese maacuteximo de 5000 ciclos es suficiente para
asegurar que un material seguiraacute cumpliendo su funcioacuten Hasta el momento no
se ha encontrado en la literatura ninguna investigacioacuten donde se ensaye el
material un nuacutemero suficiente de ciclos hasta la peacuterdida de sus propiedades
teacutermicas para poder conocer su vida uacutetil o el nuacutemero de ciclos que es capaz de
soportar el PCM hasta su degradacioacuten
Por todo lo anteriormente expuesto en esta investigacioacuten se ha
considerado la vida uacutetil del material como el mayor nuacutemero de ciclos soportados
por un material obtenidos a partir de los estudios realizados por diferentes autores
en la literatura o fabricante a pesar de no haber llegado a degradarse en su
totalidad
25 Aplicacioacuten en la construccioacuten
El sector de la construccioacuten es el que maacutes beneficios puede obtener de la
utilizacioacuten de materiales con cambio de fase (PCM) ya que tiene importantes
beneficios en ahorro energeacutetico reducir la contaminacioacuten de CO2 y optimizar la
inercia teacutermica en las edificaciones con el objetivo de mejorar la habitabilidad de
los usuarios
La temperatura interior en un edificio depende de las condiciones
exteriores interiores y de las caracteriacutesticas teacutermicas de la edificacioacuten como la
capacidad teacutermica de los materiales que tiene un efecto como el mostrado en la
figura 23 el cual no considera un sistema activo en su anaacutelisis
Figura 23 Estabilizacioacuten de la temperatura interior por el efecto inercia teacutermica
Fuente (M Kenisarin amp K Mahkamov 2007)
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
Actualmente la mayoriacutea de los materiales de construccioacuten son livianos lo
que trae como consecuencia una baja capacidad caloriacutefica La introduccioacuten de
materiales de cambio de fase puede aumentar la inercia teacutermica del edificio sin
aumentar mucho su peso Sin embargo es necesario disponer de aacuterea de
transferencia de calor suficiente para liberar esa energiacutea (Dincer I amp Rosen M
2002) y es imprescindible que se pueda descargar el material por medio de la
ventilacioacuten durante la noche para prevenir el sobrecalentamiento en los
elementos con PCM (M Kenisarin amp K Mahkamov 2007)
La Figura 24 muestra una comparacioacuten entre el espesor de material
requerido para obtener la misma capacidad teacutermica que la obtenida con un
centiacutemetro de PCM
Figura 24 Espesor requerido de distintos materiales Vs Energiacutea teacutermica
Fuente (M Kenisarin amp K Mahkamov 2007)
Las caracteriacutesticas requeridas para el empleo de materiales de cambio de
fase en la edificacioacuten son
0 5 10 15 20 25 30 35 40
Yeso
Madera
Hormigon
Ceramico
Ladrillo
PCM
Espesor (cm)
H (
kJK
g)
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
Temperatura de cambio de fase entre 12 y 25ordmC
Alta estabilidad a los ciclos de cambio de fases debido a la larga vida uacutetil
de los edificios
No corrosivos para reducir el riesgo de fuga de su contenedor y evitar
dantildeos en la estructura del edificio
Considerar la inflamabilidad al fuego y dar soluciones constructivas de
acuerdo a la normativa
Econoacutemicamente viable en funcioacuten de los costos de implementacioacuten y
ahorro energeacuteticos
Una limitacioacuten de los PCM para su aplicacioacuten en la construccioacuten es la
estacionalidad pues el PCM debe ser seleccionado para aplicaciones en
calefaccioacuten pasiva Esta limitacioacuten reduce los beneficios teacutermicos el ahorro
energeacutetico y su viabilidad econoacutemica Investigadores estudiaron un concepto de
doble capa de PCM para que funcionara durante todo el antildeo (A Pasupathy L
Athanasius R Velraj amp RV Seeniraj 2008)
26 Encapsulacioacuten
Uno de los criterios que ha limitado el uso generalizado de los PCM es la
incompatibilidad entre estos materiales y sus contenedores afectando su
estabilidad a largo plazo degradado sus propiedades y provocando la corrosioacuten
de sus recipientes de embalaje Como respuesta a estos inconvenientes han
surgido diferentes teacutecnicas de encapsulacioacuten de los PCM las cuales ofrecen
unas ventajas significativas tales como
Aumento del aacuterea de transferencia de calor
Reduccioacuten de la reactividad hacia el ambiente exterior
Control de los cambios en el volumen eacutestos ocurren dentro de la capsula
No hay absorcioacuten de humedad
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
Los meacutetodos de encapsulacioacuten clasificados de acuerdo a su tamantildeo
pueden ser de dos tipos micro y macro encapsulados (Lane 1986)
261 Microcaacutepsulas
Una investigacioacuten menciona que la micro encapsulacioacuten podriacutea definirse
como el proceso de rodear o envolver una sustancia en otra sustancia a escala
muy reducida produciendo caacutepsulas que van desde 1 μm a 1000 μm de diaacutemetro
Los tres estados de la materia (soacutelidos liacutequidos y gases) pueden ser micro
encapsulado
El material de la membrana exterior debe ser compatible con el PCM y a
su vez ser capaz de hacer frente a la tensioacuten mecaacutenica sobre las paredes del
recipiente provocada por las variaciones de volumen durante el cambio de fase
(S E Kalnaeligs amp B P Jelle 2015)
Por lo general los PCM micro-encapsulados se encuentran
comercialmente disponibles en dos formatos dispersioacuten fluida donde las
caacutepsulas son dispersadas en agua o en polvo en mezclas en seco
La figura 25 muestra en teacuterminos practico la conformacioacuten de la
envolvente de poliacutemero en una cera PCM dimensionando el tamantildeo en ellas
Figura 25 Microcaacutepsulas
Fuente (S E Kalnaes and B P Jelle 2015)
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
262 Macrocaacutepsulas
La macro-encapsulacioacuten hace referencia a PCM encapsulados en
cualquier tipo de recipiente tal como tubos esferas o paneles que pueden ser
incorporados en materiales de construccioacuten o que actuacutean como intercambiadores
de calor por siacute mismos El tamantildeo de estos contenedores es por lo general maacutes
de 1 cm3 almacenando desde varios mililitros hasta varios litros La tecnologiacutea
de macro encapsulacioacuten emplea un proceso de encapsulacioacuten de doble capa
creando una caacutepsula con una configuracioacuten en forma de matriz La principal
ventaja de los envases plaacutesticos es la disponibilidad en el mercado y la facilidad
de producirlos en una gran variedad de formas y con pocas restricciones
geomeacutetricas Ademaacutes son compatibles con la mayoriacutea de PCM incluyendo las
sales hidratadas por lo general no presentan degradacioacuten aunque algunos
materiales orgaacutenicos pueden llegar a suavizarlos (S E Kalnaes and B P Jelle
2015)
El PCM se encuentra confinado por la encapsulacioacuten evitaraacute cambios
volumeacutetricos importantes lo que evita varios riesgos y garantiza la integridad del
componente en el que se insertan las caacutepsulas La barrera polimeacuterica puede ser
de otros materiales por ejemplo como aluminio ya que mejora la compatibilidad
con otros materiales de construccioacuten y evita la corrosioacuten Este tipo de aplicacioacuten
es de faacutecil manejo una clara ventaja de este proceso en relacioacuten a los meacutetodos
de impregnacioacuten e inmersioacuten del iacutetem anterior
Figura 26 Caacutepsulas de macro PCM (Contenedor plano Esfera Placas de
barra doble y placas de aluminio)
Fuente (S E Kalnaeligs amp B P Jelle 2015)
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
CAPITULO III MEacuteTODOS Y METODOLOGIacuteA
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
En este estudio la evaluacioacuten se centra en el anaacutelisis de optimizacioacuten de
la aplicacioacuten PCM a los muros exteriores y dimensionamiento del rendimiento
teacutermico de una vivienda en estudio
Los modelos generados en el software Energy Plus se ingresoacute valores de
los sistemas constructivos de la vivienda en estudio condiciones climaacuteticas
caracterizacioacuten PCM en muros exteriores y caracterizacioacuten macro encapsulacioacuten
de acuerdo con las directrices (DOE 2016) se explica en las siguientes secciones
del capiacutetulo
31 Herramienta de simulacioacuten de energiacutea
Para evaluar los PCM de comportamiento teacutermico variable de la vivienda
en estudio con y sin PCM se utilizoacute el software EnergyPlus v 87
En teacuterminos generales el software puede evaluar una variedad de caacutelculos
destacados como los caacutelculos de puentes teacutermicos HVAC integrado y
simulaciones de carga de construccioacuten confort teacutermico y materiales con
conductividad teacutermica variable como el PCM (DB Crawley LK Lawrie FC
Winkelmann WF Buhl YJ Huang amp CO Pedersen 2001) Ademaacutes hay
muchas opciones para la conveccioacuten de la superficie interior y exterior
algoritmos infiltracioacuten avanzada e ventilacioacuten energiacutea desarrollada costos del
ciclo de vida algoritmos avanzados de confort teacutermico como como la calidad del
aire interior y el confort teacutermico para los ocupantes (DB Crawley JW Hand M
Kummert amp BT Griffith 2008)
Para analizar el comportamiento teacutermico variable de los PCM en estudio
se utilizoacute el algoritmo de diferencia finita de conduccioacuten (CondFD) Este algoritmo
modela la transferencia de calor en presencia de PCM y junto con la ecuacioacuten (2)
discretiza la envolvente del edificio en varios nodos para resolver numeacutericamente
la transferencia de calor en el software se puede escoger ecuaciones por un
esquema totalmente impliacutecito y el Crank-Nicolson que es semi-impliacutecito (KO
Lee 2016)
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
En esta investigacioacuten se utiliza un esquema Crank-Nicolson para simular
PCM para un material homogeacuteneo con espaciado uniforme de nodos como se
muestra en la ecuacioacuten (2) (3) y (4) extraiacutedo del manual del software
EnergyPlus (DOE 2016)
119862119901120588∆119909119879119894
119895+1minus 119879119894
119895
∆119905= (119896119908
119879119894+1119895+1
minus 119879119894119895+1
∆119909+ 119896119864
119879119894minus1119895+1
minus 119879119894119895+1
∆119909+ 119896119908
119879119894+1119895
minus 119879119894119895
∆119909+ 119896119864
119879119894minus1119895
minus 119879119894119895
∆119909)
Ec 2
∆119909 = radic119888120572∆119905 Ec 3
Donde Cp y ρ son el calor especiacutefico y la densidad del material Δ119909 es el
espesor de capa de diferencia finita Δ119905 es el paso de tiempo 119879 es la temperatura
de un nodo 119894 119894 + 1 y 119894 minus 1 son los nodos adyacentes al interior y exterior
respectivamente de una capa de material 119895 y 119895 + 1 son los pasos de tiempo
anterior y nuevo 119896119908 y 119896119864 representan las conductividades teacutermicas 119896119908 =
119896119894+1119895+1
+119896119894119895+1
2 y 119896119864 =
119896119894minus1119895+1
+119896119894119895+1
2 120572 es la difusividad teacutermica del material y 119888 es la
constante de discretizacioacuten del espacio que puede definir el usuario (3 es el valor
predeterminado para esta constante seguacuten manual)
Esta investigacioacuten considera el uso de paneles PCM por lo tanto el
algoritmo CondFD ecuacioacuten (2) debe combinarse con una funcioacuten de temperatura
de entalpiacutea ℎ = ℎ (119879) estos datos en la funcioacuten se obtendraacuten de acuerdo al estudio
bibliograacutefico El algoritmo usa esta funcioacuten para actualizar el calor especiacutefico
equivalente (119862119901) en cada paso de tiempo como se muestra en la ecuacioacuten (4)
lowast 119862119901(119879) =ℎ119894
119895minus ℎ119894
119895minus1
119879119894119895
minus 119879119894119895minus1
Ec 4
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
43
Diego Sarabia Meacutendez
32 Descripcioacuten Vivienda en estudio
En este apartado se define los sistemas constructivos de la vivienda en
estudio con y sin PCM para obtener la liacutenea base de comparacioacuten
En la figura 31 se muestra el disentildeo de vivienda en estudio de 56 m2 y
los espacios interiores con su distribucioacuten de aacutereas veacutease en la tabla 31 esta
vivienda se configuro de acuerdo a las soluciones constructivas acreditadas
(MINVU Soluciones constructivas acreditadas al fuego teacutermico y acuacutestico
2020)
Las caracteriacutesticas de la envolvente de la vivienda en estudio cuentan con
la configuracioacuten miacutenima de la reglamentacioacuten teacutermica que actualmente rige en
Chile estaacute establecida en la Ordenanza General de Urbanismo y Construcciones
en su artiacuteculo 4110 y en una zonificacioacuten del paiacutes en zonas teacutermicas seguacuten
grados-diacutea especificados en el manual de aislamiento teacutermico (MINVU Manual
de aplicacioacuten y reglamentacoacuten teacutermica 2017) Los complejos de techumbres
muros perimetrales y pisos inferiores ventilados entendidos como elementos que
constituyen la envolvente de la vivienda deberaacuten tener una transmitancia teacutermica
ldquoUrdquo igual o menor o una resistencia teacutermica total ldquoRtrdquo igual o superior a la
sentildealada para la zona que le corresponda al proyecto de arquitectura de acuerdo
con los planos de zonificacioacuten teacutermica corresponde a zona 4 y se verifica lo
anteriormente expuesto en la tabla 32 cabe sentildealar que los valores de
transmitancia teacutermica se extrajeron de acuerdo a las ecuaciones de balance
teacutermico que estaacute incorporado en el software
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
44
Diego Sarabia Meacutendez
Figura 31 Descripcioacuten Vivienda en estudio
Elaboracioacuten Propia - Software Revit
A continuacioacuten se muestra las dimensiones que tiene cada espacio de las
dos torres del edificio en las siguientes tablas
Tabla 31 Resumen superficies de los distintos espacios vivienda en estudio
Torre A
Lugar Superficie (119950120784) Altura (m)
Dormitorio Primario 8 24
Dormitorio Secundario 7 24
Cocina 9 24
Living - Comedor 28 24
Bantildeo 3 24
TOTAL 56
Fuente Elaboracioacuten Propia
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
Tabla 32 Cumplimiento de la envolvente elementos constructivos de la vivienda en estudio
Elemento Materiales (exterior al
interior)
Espesor (m)
Transmitencia teacutermica Valor U (Wm2K)
Transmitencia teacutermica exigida Valor U (Wm2K)
Muro Exterior
Siding
Fibrocemento
0006
0672
17
Plancha OSB 0009
Entramado
madera pino 2x3
0075
Lana de vidrio 005
Caacutemara no
ventilada
(Ubicacioacuten del
PCM)
0026
Placa yeso cartoacuten 0015
Muro Interior
Placa yeso cartoacuten 0015
0677
17
Entramado
madera pino 2x2
0075
Lana de vidrio 005
Placa yeso cartoacuten 0015
Techumbre
Plancha Zincalum 0035
0316
038
Fieltro 0005
Plancha OSB 0009
Entramado madera pino 2x2
0075
Lana de Vidrio 005
Placa yeso cartoacuten 00125
Piso en contacto
con el terreno
Radier Hormigoacuten 02 17 No aplica
Fuente Elaboracioacuten Propia
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
Para integrar el PCM con la vivienda en estudio se configuro las
propiedades teacutecnicas y la ubicacioacuten optima interna del PCM al panel externo
constructivo donde se administroacute en el modelo de simulacioacuten veacutease en la Figura
313 y figura 38
321 Meacutetodo de zona en software EnergyPlus
El modelo de construccioacuten creado se utilizoacute el meacutetodo de zona donde
todas las zonas fueron modeladas con informacioacuten completa en construccioacuten
ocupacioacuten equipamiento y HVAC
Al iniciar el modelo se elige la ubicacioacuten y el tipo de anaacutelisis Despueacutes se
debe ingresar un nombre al sitio y a cada zona Ademaacutes se puede asignar varios
edificios bajo el mismo sitio cada uno con su propio nombre Una vez definido lo
anterior se genera bloque que generalmente representa un piso o nivel planta
para este estudio se genera bloque de acuerdo a la figura 32
Figura 32 Modelo de zona en casa de estudio
Fuente Elaboracioacuten Propia
La fase de zonificacioacuten separa las diferentes zonas teacutermicas Para el
modelo cada suite se considera una zona El meacutetodo de zona permite asignar
diferentes horarios operativos a cada zona Cada una de las paredes de cada
bloque se llama superficie y ventanas o puertas como sub-superficies o
aberturas La vivienda se muestra parcialmente en la Figura 33
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
47
Diego Sarabia Meacutendez
Figura 33 Zona y sub-superficie de vivienda en estudio
Fuente Elaboracioacuten Propia
El software da la posibilidad de elegir los materiales utilizados en la
construccioacuten de la vivienda a traveacutes de sus bibliotecas de materiales o pueden
ser creados por el usuario y los materiales elegidos son asignado a las partes
especificadas de la vivienda Estos pasos se repitieron en todos los pisos para
completar todo el modelo de construccioacuten
33 Datos meteoroloacutegicos
El modelo de simulacioacuten se mantuvo en base a los datos meteoroloacutegicos
con formato EPW en Energy plus se definioacute la ubicacioacuten Concepcioacuten Chile Con
el objetivo de evaluar el rendimiento teacutermico y analizar la optimizacioacuten de la
posicioacuten del PCM al muro exterior de la vivienda en estudio Las configuraciones
de los datos meteoroloacutegicos se muestran en la Figura 34
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
Figura 34 Configuracioacuten datos meteoroloacutegico
Fuente Elaboracioacuten Propia
34 Jornadas de ocupacioacuten
Para realizar la simulacioacuten energeacutetica se deben definir una serie de
planillas de ocupacioacuten de los recintos uso de luminaria y equipos En estas
planillas de ocupacioacuten se define el ciclo horario para todos los diacuteas del antildeo
Esto se realiza con la finalidad de establecer los periodos en los que
influyen los distintos tipos de cargas internas en la vivienda
A continuacioacuten se adjunta a modo de ejemplo la figura 35 en la cual se
puede ver el menuacute de configuracioacuten de las plantillas de ocupacioacuten
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
Figura 35 Planilla de uso horario de un recinto
Fuente Elaboracioacuten propia
35 Configuracioacuten envolvente por elemento y sistemas de climatizacioacuten
Definidos las zonas y multi zonas del modelo se deberaacute configurar los
sistemas constructivos en sus propiedades teacutermicas y dimensiones El software
automaacuteticamente genera el caacutelculo de transmitancia teacutermica anaacutelisis de
condensacioacuten y dimensioacuten en imagen por elemento Veacutease en la figura 36
Para configurar el sistema de climatizacioacuten primero se debe definir los
rangos de temperatura confort teacutermico en la pestantildea de actividades del software
Veacutease figura 37 A continuacioacuten se define el tipo de sistema de climatizacioacuten
definiendo las horas de operacioacuten tipo combustible y rendimiento del sistema
como se muestra en la figura 38
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
50
Diego Sarabia Meacutendez
Figura 36 Planilla configuracioacuten envolvente por elemento
Fuente Elaboracioacuten propia
Figura 37 Planilla configuracioacuten rango de temperatura confort teacutermico
Fuente Elaboracioacuten propia
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
Figura 38 Planilla configuracioacuten del tipo de sistema de climatizacioacuten
Fuente Elaboracioacuten propia
36 Caracterizacioacuten PCM
En este estudio se utilizoacute placas PCM tipo orgaacutenico de parafina tiene una
relacioacuten de mezcla de n-octadecano a n-heptadecano seleccionado debido a la
eficiencia energeacutetica con temperatura cercana al confort teacutermico (12ndash26 deg C)
basado en ISO 13790 (KO Lee 2016)
Seguacuten el estado de arte existente se definioacute los tres materiales de cambio
de fase los cuales son candidatos idoacuteneos para utilizar en esta investigacioacuten
Estos materiales han sido estudiados por diversos autores con el fin de obtener
sus propiedades termofiacutesicas y usarlas en la edificacioacuten La razoacuten de utilizar estos
materiales es debido a sus propiedades teacutermicas y el que su temperatura de
fusioacuten es cercana a la temperatura de confort
Ademaacutes la vida uacutetil del PCM es de 13 antildeos seguacuten su ciclo de cambio
fase considerando 365 cambios fase anual el cual se justifica con los costos de
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
52
Diego Sarabia Meacutendez
inversioacuten al implementar esta tecnologiacutea dependiendo de la magnitud del flujo
de calor el cuaacutel se quiere operar
Las especificaciones teacutecnicas de las placas PCM y el comportamiento de
temperaturas y entalpias de operacioacuten se describen en la tabla 33 las cuales se
vinculan con el algoritmo CondFD de la ecuacioacuten (2) para evaluar su rendimiento
energeacutetico en la vivienda en estudio
361 Seleccioacuten de Materiales Cambio Fase
Tabla 33 Especificaciones teacutecnicas de PCM a utilizar
Caracteriacutesticas RT18HC
Valores Unidades Grafica entalpia y Temperatura
Temperatura de Fusioacuten
18
degC
Almacenamiento de calor
260 [kJkg]
Capacidad calor especifico
2 [kJkgK]
Densidad solido (a los 15degC)
088 [kgl]
Densidad solido (a los 25degC)
077 [kgl]
Conductividad teacutermica
(Ambas fases)
02 [W(mK)]
Expansioacuten de Volumen
125
Maacutexima temperatura operacioacuten
50 degC
Ciclo Cambio fase
5000 -
Caracteriacutesticas RT21HC
Valores Unidades Grafica entalpia y Temperatura
Temperatura de Fusioacuten
21
degC
Almacenamiento de calor
155 [kJkg]
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
Capacidad calor especifico
2 [kJkgK]
Densidad solido (a los 15degC)
088 [kgl]
Densidad solido (a los 25degC)
077 [kgl]
Conductividad teacutermica
(Ambas fases)
02 [W(mK)]
Expansioacuten de Volumen
12
Maacutexima temperatura operacioacuten
45 degC
Ciclo Cambio fase
5000 -
Caracteriacutesticas RT22HC
Valores Unidades Grafica entalpia y Temperatura
Temperatura de Fusioacuten
22
degC
Almacenamiento de calor
190 [kJkg]
Capacidad calor especifico
2 [kJkgK]
Densidad solido (a los 15degC)
076 [kgl]
Densidad solido (a los 25degC)
070 [kgl]
Conductividad teacutermica
(Ambas fases)
02 [W(mK)]
Expansioacuten de Volumen
125
Maacutexima temperatura operacioacuten
50 degC
Ciclo Cambio fase
5000 -
Fuente (Rubitherm 2020)
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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362 Configuracioacuten del PCM en EnergyPlus
De acuerdo al estudio bibliograacutefico de los materiales cambio fase para
ingresar los datos al software se debe definir las cantidades de temperatura de
operacioacuten identificar el punto de fusioacuten en las graacuteficas de entalpia y temperatura
de la tabla 33 conductividad teacutermica calor especifico densidades y espesor en
el elemento constructivo con el fin de determinar el flujo de calor de operacioacuten
de acuerdo al balance termodinaacutemico de la ecuacioacuten (2) A continuacioacuten se
adjunta a modo de ejemplo la figura 39 en la cual se puede ver el menuacute de
configuracioacuten
Figura 39 Configuracioacuten del PCM en el software
Fuente Elaboracioacuten Propia
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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363 Cotizacioacuten PCM RT21
La inversioacuten total del material cambio fase es de $1106679
correspondiente a 160 kg con transporte incluido Se observa que el costo de
transporte afecta considerablemente en su valor (Alemania)
Se realizoacute cotizacioacuten del material RT21 en la empresa alemana Rubitherm
se presenta en la figura 310
Figura 310 Cotizacioacuten del material RT21
Fuente (Rubitherm 2020)
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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37 Caracterizacioacuten Macro encapsulacioacuten
En esta seccioacuten la placa de macro encapsulacioacuten utilizada para el PCM
es de materialidad de aluminio veacutease figura 311 esto aumenta la transferencia
de calor en los PCM Son dos placas que estaacuten unidas entre siacute Se unen en dos
puntos centrados y se pegan en sus marcos Pueden ser utilizados para PCM
(orgaacutenico - inorgaacutenico) Por lo tanto se puede ofrecer un rango de temperatura
para una variedad de aplicaciones El grosor depende del volumen de llenado y
por lo tanto de la capacidad de almacenamiento Para el estudio se seleccionoacute
el modelo CSM105 Rubitherm el cual su espesor es de 15 mm y puede
almacenar 2 Kg de PCM por placa
Figura 311 Modulo Almacenamiento Macro encapsulacioacuten de aluminio
Fuente (Rubitherm 2020)
371 Cotizacioacuten Macro encapsulacioacuten
La inversioacuten total de la Macro encapsulacioacuten de aluminio modelo CSM105
Rubitherm es de $ 4326306 correspondiente a 150 unidades con transporte
incluido Se observa que el costo de transporte afecta considerablemente en su
valor (Alemania) Se realizoacute cotizacioacuten de los elementos de Macro encapsulacioacuten
de aluminio modelo CSM105 Rubitherm se presenta en la figura 312
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
Figura 312 Cotizacioacuten Macro encapsulacioacuten
Fuente (Rubitherm 2020)
38 Validacioacuten muro constructivo con PCM
De acuerdo a los estudios del estado de arte y conocimientos teacutecnicos se
validoacute el sistema constructivo propuesto del muro exterior en el cumplimiento de
resistencia al fuego de acuerdo al cataacutelogo de soluciones constructivas del
MINVU y de la Ordenanza General de Urbanismo y Construcciones (OGUC)
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
381 Cumplimiento de la OGUC y Resistencia al fuego
Dentro de las exigencias a cumplir por la OGUC se tiene la resistencia
al fuego en elementos constructivos seguacuten el tipo de recinto Para el caso del
muro de la vivienda en estudio se hace el siguiente anaacutelisis
De la tabla Ndeg34 seguacuten ldquodestino del edificiordquo ldquosuperficie edificada (m2)rdquo y
ldquonuacutemero de pisosrdquo se obtiene una clasificacioacuten (a b c y d) seguacuten corresponda
En el caso de estudio se tiene una vivienda de 1 piso por lo que el destino
es ldquoHabitacionalrdquo y por nuacutemero de pisos se establece una clasificacioacuten ldquodrdquo
Tabla 34 Clasificacioacuten de los edificios seguacuten su destino superficie edificada y
nuacutemero de pisos Destino del Edificio Superficie Edificada (m2) Nuacutemeros de Pisos
1 2 3 4 5 6 7 o mas
Habitacional Cualquiera d d c c b a a
Hoteles Sobre 5000 c b a a a a a
Sobre 1500 y hasta 5000 c b b b a a a
Sobre 500 y hasta 1500 c c b b a a a
Hasta 500 d c b b a a a
Oficinas Sobre 1500 c c b b b a a
Sobre 500 y hasta 1500 c c c b b b a
Hasta 500 d c c b b b a
Museos Sobre 1500 c c b b b a a
Sobre 500 y hasta 1500 c c c b b b a
Hasta 500 d c c b b b a
Clinica Hospitales y Lab Sobre 1000 c b b a a a a
Hasta 1000 c c b b a a a
Policlinicos Sobre 400 c c b b b b a
Hasta 400 d c c b b b a
Restaurante Sobre 500 b a a a a a a
Sobre 250 y hasta 500 c b b a a a a
Hasta 250 d c c b b a a
Locales Comerciales Sobre 500 c b b a a a a
Sobre 200 y hasta 500 c c b b a a
Hasta 200 d c b b b a a
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Bibliotecas Sobre 1500 b b a a a a a
Sobre 500 y hasta 1500 b b b a a a a
Sobre 250 y hasta 500 c b b b a a a
Hasta 250 d c b b a a a
Automotoras Cualquiera d c c b b b a
Edificio Estacionamiento Cualquiera d c c c b b a
Fuente (MINVU Soluciones constructivas acreditadas al fuego teacutermico y
acuacutestico 2020)
Para lograr obtener la resistencia al fuego necesaria se debe utilizar
ademaacutes la tabla 34 la cual utilizo como criterios la clasificacioacuten obtenida de la
tabla 35 y el tipo de elemento constructivo
Tabla 35 Resistencia al fuego para diferentes elementos de construccioacuten Elementos de Construccioacuten
Tipo (1) (2) (3) (4) (5) (6) (7) (8) (9)
A F-180 F-120 F-120 F-120 F-120 F-30 F-60 F-120 F-60
B F-150 F-120 F-90 F-90 F-90 F-15 F-30 F-90 F-60
C F-120 F-90 F-60 F-60 F-60 - F-15 F-60 F-30
D F-120 F-60 F-60 F-60 F-30 - - F-30 F-15
Fuente (MINVU Soluciones constructivas acreditadas al fuego teacutermico y
acuacutestico 2020) Simbologiacutea
Elementos verticales
(1) Muros cortafuego
(2) Muros zona vertical de seguridad y caja de escalera
(3) Muros caja de ascensores
(4) Muros divisorios entre unidades (hasta la cubierta)
(5) Elementos soportantes verticales
(6) Muros no soportantes y tabiques
Elementos verticales y horizontales
(7) Escaleras
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
Elementos Horizontales
(8) Elementos soportantes horizontales
(9) Techumbre incluido cielo falso
Para el caso de los muros que dan al exterior de la vivienda en estudio se
considera en la categoriacutea (5) y seguacuten la clasificacioacuten obtenida de la tabla 35 (d)
se tiene un grado de resistencia al fuego F-30
Para cumplir con esta exigencia se utiliza una solucioacuten del cataacutelogo de
soluciones constructivas del MINVU la cual se presenta a continuacioacuten
Tabla 36 Tabique perimetral estructura madera en vivienda en estudio
A233014 Tabique Estructura Madera Volcanita 15 mm RF Placa
OSB 9 mm Siding Volcan 6 mm Aislanglas R122 50 mm
Elemento estaacute formado por una estructura de madera hecha con listones de pino
radiata de 2rdquo x 3rdquo en bruto Consta de 5 pie-derechos distanciados entre ejes
cada 06 m dos cadenetas distanciadas entre ejes cada 08 m una solera inferior
y otra superior Esta estructuracioacuten esta forrada por una de sus caras con una
plancha de yeso-cartoacuten ldquoVolcanita RFrdquo de 15 mm de espesor La otra cara esta
forrada con una placa de madera OSB de 9 mm de espesor y como terminacioacuten
en esta cara lleva unas fajas horizontales de fibrocemento ldquoSiding Volcanrdquo tipo
tinglado de 190 mm de ancho y 6 mm de espesor Todo el conjunto esta
atornillado a la estructura de madera Esta conformacioacuten deja espacios libres en
el interior del panel estaacuten rellenos con una manta de lana de vidrio tipo rollo libre
R122 de 50 mm de espesor de densidad media aparente de 14 kgm3 Las
dimensiones para el ensayo fue 22 de ancho x 24 de alto y 105 mm de espesor
INSTITUCION Ndeg Informe Lab Fecha Resistencia Inscripcioacuten
Volcaacuten SA 374721 IDIEM 26-06-96 F-30 2015
Fuente (MINVU Soluciones constructivas acreditadas al fuego teacutermico y
acuacutestico 2020)
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
Otra de las exigencias por parte de la OGUC es el cumplimiento de la
reglamentacioacuten teacutermica mostrado en la tabla 32 para esto se compara las
transmitancias teacutermicas exigidas con las envolventes de los elementos
constructivos de la vivienda en estudio Para el caso del muro donde se
incorporaraacute el PCM se seleccionoacute de acuerdo al listado de soluciones
constructivas del MINVU para validar la resistencia al fuego En la figura 313 se
visualiza las componentes de la envolvente del muro con PCM
Figura 313 Sistema Constructivo Muro exterior con PCM en vivienda estudio
Fuente Elaboracioacuten Propia
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
CAPITULO IV RESULTADOS Y DISCUSIOacuteN
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
En este segmento se evaluoacute el comportamiento energeacutetico de los
materiales cambio fase mediante el software Energy Plus Los materiales cambio
fase se produce dentro de placas de macro encapsulacioacuten de aluminio al interior
de los muros exteriores
Por lo tanto se observoacute el aporte energeacutetico de los materiales cambio fase
en un sistema activo de calefaccioacuten optimizando los sistemas constructivos en
la vivienda en estudio y dar respuesta a su aplicacioacuten en acondicionamiento
ambiental
41 Comportamiento Energeacuteticos de los materiales cambio fase
A continuacioacuten se comparoacute el comportamiento energeacutetico de dos sistemas
de climatizacioacuten con el aporte energeacutetico pasivo de los distintos materiales
cambio fase en una vivienda en estudio
411 Rendimiento energeacutetico de calefaccioacuten con y sin PCM
Para evaluar el comportamiento energeacutetico se definioacute la temperatura de
fusioacuten de los PCM en el rango de 18 a 22degC el aporte energeacutetico de los PCM
ayudo a mantener constante la temperatura confort de 21degC en la vivienda y
reducir los consumos energeacuteticos del sistema activo para este estudio se
escogioacute dos sistemas de climatizacioacuten caso 1 calefaccioacuten a lentildea con un η=07 y
caso 2 Climatizacioacuten por bomba de calor η=27 esta seleccioacuten se debe a que el
sistema de calefaccioacuten a lentildea es el maacutes usado en la zona genera una alta
contaminacioacuten ambiental por su combustioacuten en material particulado es el
combustible maacutes econoacutemico por unidad de energiacutea y su inversioacuten es accesible
en cambio los equipos de bomba calor tienen un mayor rendimiento energeacutetico
tiene menos impacto al medio ambiente y su inversioacuten es costosa
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
La figura 41 (a) muestra las potencias maacuteximas de disentildeo en
climatizacioacuten comparando la liacutenea base con la implementacioacuten de materiales
PCM en vivienda en estudio ubicado en Concepcioacuten Chile A traveacutes de este
anaacutelisis se identificoacute una disminucioacuten en su potencia de disentildeo de 319 (de
263 kW a un 179 kW) con respecto al caso base
Figura 41 (a) Potencia maacutexima disentildeo con y sin PCM en vivienda estudio
Fuente Elaboracioacuten Propia
En la figura 41 (b) y (c) se realizoacute la comparacioacuten de distintos tipos de
materiales PCM con un rango de temperatura de fusioacuten entre 18 degC a 22degC para
determinar cuaacutel es maacutes eficiente en funcioacuten de las variables de disentildeo
emplazamientos y propiedades teacutermicas
Para el primer caso se evaluoacute el sistema de calefaccioacuten a lentildea y el rol
clave de estos materiales PCM es reducir el consumo energeacutetico y el kgCO2
generado por la combustioacuten En los resultados se visualizoacute que el material cambio
fase optimo corresponde al PCM 22HC arrojando una reduccioacuten del consumo
energeacutetico de 341 (de 3694 kWh a un 2434 kWh) en comparacioacuten al caso base
CocinaDormitorioSecundario
DormitorioPrimario
Living-Comedor
Bantildeo
Sin PCM 03 037 047 129 02
Con PCM 017 027 033 087 015
0
02
04
06
08
1
12
14
Dem
ada
En
erge
tica
(k
W)
Potencia Maxima de Disentildeo
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
65
Diego Sarabia Meacutendez
Para el segundo caso se evaluoacute un sistema de bomba de calor multisplit
al igual que en el caso anterior el material optimo corresponde al PCM 22HC se
observoacute una disminucioacuten de consumo energeacutetico de un 344 (de 688 kWh a un
451 kWh) en comparacioacuten al caso base
Para ambos casos se observoacute una notable reduccioacuten de los consumos
energeacuteticos en estacioacuten friacutea
Figura 41 (b) Caso 1 - Consumo energeacutetico en calefaccioacuten Lentildea con y sin
PCM en vivienda estudio
Fuente Elaboracioacuten Propia
Ene Feb Mar Abr May Jun Jul Ago Sept Oct Nov Dic
Sin PCM 75 79 138 267 477 604 626 498 408 271 147 104
PCM 18 37 34 73 188 424 579 602 440 347 185 85 60
PCM 21 31 27 64 167 397 547 570 405 313 161 71 53
PCM 22 13 11 39 138 354 506 528 357 275 130 49 34
0
200
400
600
800
1000
Co
nsu
mo
Co
mb
ust
ible
(k
Wh
)
Consumo Combustible Lentildea Mensual
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
66
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Figura 41 (c) Caso 2 - Consumo energeacutetico Bomba de calor con y sin PCM en
vivienda estudio
Fuente Elaboracioacuten Propia
Se identificoacute que la temperatura de fusioacuten maacutes baja de los PCM no es
viable en la optimizacioacuten del sistema pasivo en climatizacioacuten podriacutea ser explicado
por las variables temperatura exteriores dependiendo de las condiciones
climaacuteticas por su emplazamiento Por ejemplo de acuerdo con las cargas
maacuteximas de calefaccioacuten se debe a que la energiacutea en invierno aumento
estableciendo las temperaturas de confort teacutermico esta es una variable de
seleccioacuten del PCM que serviraacute para optimizar el disentildeo en funcioacuten del confort
teacutermico disminuyendo demanda energeacutetica perdidas caloriacuteficas y consumos
energeacuteticos de sistemas de calefaccioacuten activos
Seguacuten el estado de arte otro punto importante a comentar es tener en
cuenta que las curvas de entalpia y temperatura tanto para refrigeracioacuten y
calefaccioacuten deben ser lo maacutes cercana posible de lo contrario se produciriacutea una
Ene Feb Mar Abr May Jun Jul Ago Sept Oct Nov Dic
Sin PCM 14 15 26 50 89 112 116 92 78 50 27 19
PCM 18 7 6 14 35 79 107 112 82 64 34 16 11
PCM 21 57 5 12 31 74 101 106 75 58 30 13 10
PCM 22 23 2 72 256 66 936 976 662 511 24 9 63
0
20
40
60
80
100
120
Co
nsu
mo
Co
mb
ust
ible
(k
Wh
)Consumo Combustible Bomba de calor Mensual
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
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Diego Sarabia Meacutendez
histeacuteresis o sub enfriamiento y afectariacutea considerablemente el rendimiento del
PCM en su aplicacioacuten
Para la implementacioacuten de sistemas activos sustentables en climatizacioacuten
se demuestra en el estudio que el aporte energeacutetico de los PCM es mantener la
temperatura constante dentro de los espacios interiores y ayudan tambieacuten a bajar
considerablemente los consumos energeacuteticos y es un aporte al medio ambiente
Para sistemas pasivos la eficiencia en los PCM en los muros exteriores
podriacutea incrementarse sugiriendo que haya acristalamiento a base de muros
cortina durante el diacutea lleva al PCM al proceso de cambio de fase de manera
estable en el tiempo debido a su almacenamiento teacutermico (F Ascione RF De
Masi F de Rossi S Ruggiero amp GP Vanoli 2016)
Ademaacutes la disminucioacuten de un 319 en potencia maacutexima de disentildeo para
equipos de climatizacioacuten arrojado en este estudio y un promedio de 33 en
reduccioacuten en consumo energeacutetico en los dos casos de climatizacioacuten propuestos
se puede inferir que los materiales cambio fase es capaz de contribuir a eficiencia
energeacutetica
412 Inversioacuten inicial y costos operativos en sistemas de calefaccioacuten con y sin PCM
Se hizo un anaacutelisis de los principales costos asociados a la adquisicioacuten de
los equipos y operacioacuten de eacutestos No se consideraraacute valor residual o de
salvamiento Para poder comparar la vida uacutetil a usar seraacute de 10 antildeos
Al obtener los valores de consumos energeacuteticos en las simulaciones de
los casos propuestos se visualiza una aproximacioacuten en demostrar el beneficio
econoacutemico que aporta los PCM a los sistemas activos Vease en figura 42
En el caso 1 sistema de calefaccioacuten a lentildea se observoacute una disminucioacuten
en los costos de operacioacuten anual de un 341 (de $88656 a un $58416)
($ 24 por kWh) (BES 2017) y en el caso 2 sistema de climatizacioacuten por bomba
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
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calor se observoacute una disminucioacuten en los costos de operacioacuten anual de un 344
(de $72928 a un $47795) ($ 106 por kWh) (BES 2017)
Figura 42 Inversioacuten inicial y costos operativos sistema climatizacioacuten con y sin
PCM en vivienda estudio
Fuente Elaboracioacuten Propia
42 Propuesta de aplicacioacuten PCM a caso base como sistema de actualizacioacuten
Seguacuten los resultados del comportamiento energeacutetico de la vivienda en
estudio con y sin PCM Se identificoacute un enfoque diferente e innovador para
sistemas pasivos de acondicionamiento ambiental o el aporte energeacutetico
significativo de los PCM a los sistemas activos para mantener su temperatura
constante en su operacioacuten
Una correcta ubicacioacuten del PCM a los muros exteriores de una vivienda en
estudio mostro significativamente un ahorro de energiacutea con respecto al caso
base esto se debe a la colocacioacuten del PCM en la particioacuten interna en los muros
exteriores emplazamiento de la vivienda tipo de encapsulacioacuten y orientacioacuten de
los muros con respecto al sol
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
Sin PCM PCM 22HC Inversion
Mil
es d
e p
eso
sInversion inicial y costos operativos en sistema
climatizacion
Caso 1 Sistema Calefaccion Lentildea Caso 2 Sistemas Bomba de Calor
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
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Diego Sarabia Meacutendez
El tipo de encapsulacioacuten de acuerdo al panel constructivo mostro que debe
ser macro encapsulacioacuten con materialidad de aluminio para aumentar la
conductividad teacutermica de los materiales cambio fase que era una de sus
desventajas teacutecnicas
A traveacutes de este anaacutelisis se identificoacute que material de cambio de fase se
debe seleccionar de acuerdo a la aplicacioacuten pasiva en vivienda en estudio
considerando variables de seleccioacuten como cineacuteticas fiacutesicas quiacutemicas teacutermicas
y econoacutemicas
Finalmente se observoacute que es posible maximizar la eficiencia de la
energiacutea en mantener la temperatura constante en los espacios interiores con el
aporte energeacutetico de los sistemas pasivos cuando se usa materiales cambio fase
en los muros exteriores de la vivienda en estudio Ademaacutes el PCM con
temperatura de fusioacuten cercana a la temperatura confort logra un mayor
rendimiento energeacutetico seguacuten su emplazamiento y reduce considerablemente los
costos de operacioacuten de un sistema climatizacioacuten activo aportaacutendole energiacutea
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
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Diego Sarabia Meacutendez
CONCLUSIONES
El trabajo reciente propone un anaacutelisis de optimizacioacuten del PCM a una
vivienda en estudio como una aplicacioacuten de actualizacioacuten a sistemas pasivos y
se evaluoacute el comportamiento energeacutetico de dos sistemas activos de climatizacioacuten
mediante el uso del software EnergyPlus
En este estudio se describe la seleccioacuten de materiales de cambio fase a
utilizar la encapsulacioacuten adecuada en base a la aplicacioacuten y propiedades de
disentildeo
En el anaacutelisis del comportamiento energeacutetico de la vivienda en estudio se
observoacute que el PCM adecuado seguacuten la temperatura de fusioacuten estaacute en el rango
de 18 a 22 degC cercano a la temperatura de confort teacutermico Para este estudio se
escogioacute el PCM 22HC ya que su comportamiento es ideal para la vivienda en
estudio arrojando un 319 (de 263 kW a un 179 kW) de reduccioacuten de
potencias maacuteximas de disentildeo en climatizacioacuten De acuerdo al PCM escogido se
analizoacute el comportamiento del consumo energeacutetico en dos sistemas de
climatizacioacuten Caso 1 Sistema calefaccioacuten a lentildea mostro una reduccioacuten del
consumo energeacutetico de 341 (de 3694 kWh a un 2434 kWh) Para el segundo
caso se evaluoacute un sistema de bomba de calor multisplit al igual que en el caso
anterior el material optimo corresponde al PCM 22HC se observa una
disminucioacuten de consumo energeacutetico de un 344 (de 688 kWh a un 451 kWh) en
comparacioacuten al caso base lo que implica una notable reduccioacuten de los consumos
energeacuteticos en la estacioacuten friacutea Ademaacutes junto con los valores de consumo
energeacutetico se evaluoacute los costos de operacioacuten anual arrojando una disminucioacuten
promedio de 34 debido al aporte de los PCM
En general estos resultados sostienen firmemente que es posible mejorar
la eficiencia del ahorro energeacutetico cuando los PCM se instala en los muros
exteriores maximizando los ahorros energeacuteticos Por lo tanto para lograr la
optimizacioacuten de la envolvente de la vivienda con aplicacioacuten PCM la temperatura
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
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de fusioacuten fue de 22 deg C y el macro encapsulamiento es de material de aluminio
mejorando su transmitancia teacutermica del flujo de calor en los paneles
constructivos dando como resultado una adecuada actualizacioacuten a la aplicacioacuten
y a la instalacioacuten de los PCM a la vivienda en estudio ubicada en Concepcioacuten
Chile
Los costos de implementacioacuten en la tecnologiacutea pasiva como los PCM tiene
un elevado valor debido al costo del transporte (Alemania) se podriacutea justificar
encargando por mayor estos insumos y aplicarlo a un lote de viviendas
Es importante aplicar el PCM optimizado considerando el enfoque y
variables de disentildeo como la condicioacuten climaacutetica temperatura de fusioacuten de PCM
encapsulamiento y irradiacioacuten solar
La implementacioacuten de esta tecnologiacutea demuestra que aporta en la
reduccioacuten de material particulado en zonas criacuteticas en contaminacioacuten y las
emisiones de CO2 aportando al medio ambiente
Se deberaacute tener en cuenta que las curvas de entalpia y temperatura de los
PCM tanto para refrigeracioacuten y calefaccioacuten deben ser lo maacutes cercana posible de
lo contrario se produciriacutea una histeacuteresis o subenfriamiento y afectariacutea
considerablemente el rendimiento del PCM en su aplicacioacuten
Como investigacioacuten adicional queda por explorar la optimizacioacuten de PCM
aplicado a paredes exteriores con persianas de acristalamiento o invernaderos
adosados al poseer mayor captacioacuten de energiacutea solar tendraacute un mayor
almacenamiento energeacutetico y retraso teacutermico en los muros aplicado con PCM y
obtener una segmentacioacuten de los datos climaacuteticos por zonas para investigar el
comportamiento energeacutetico en aplicaciones pasivas
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
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teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
ABSTRACT
Phase change materials (PCM) play an essential role in reducing energy
consumption in the construction sector They are considered promising for storing
and discharging thermal energy Using the Energy Plus software the thermal
behavior of two air conditioning systems in a study home was evaluated by
applying phase change materials to the exterior walls
It was observed that the melting temperature of 22 deg C close to the thermal
comfort temperature is the most optimal this helped to improve the performance
of the PCM material avoiding hysteresis or sub-cooling
Besides the construction system of the exterior wall was configured
concerning the location of the PCM in the interior envelope Also the design of
the construction solution with PCM is optimized in relation to the zoning data and
construction solutions of the MINVU For this study the PCM 22HC was chosen
as its behavior is ideal for the dwelling under study yielding a 319 (from 263
kW to 179 kW) reduction in maximum design powers in air conditioning
According to the chosen PCM the behavior of energy consumption in two air
conditioning systems was analyzed Case 1 Wood heating system showed a
reduction in energy consumption of 341 (from 3694 kWh to 2434 kWh) For the
second case a multisplit heat pump system was evaluated as in the previous
case the optimal material corresponds to the PCM 22HC a decrease in energy
consumption of 344 (from 688 kWh to 451 kWh kWh) compared to the base
case which implies a notable reduction in energy consumption in the cold season
Besides together with the energy consumption values the annual operating costs
were evaluated yielding an average decrease of 34 due to the contribution of
the PCM
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Diego Sarabia Meacutendez
These data demonstrated a significant reduction in energy and contribute
to energy efficiency It can be inferred that PCM contributes significantly to the
environment in releasing less particulate matter reducing the consumption of
fossil fuels and reducing the CO2 released into the atmosphere
Key words Phase change materials Sustainability Thermal simulation
construction Energy efficiency High thermal inertia housing
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Diego Sarabia Meacutendez
IacuteNDICE DE CONTENIDOS
AGRADECIMIENTOS 1
RESUMEN 2
ABSTRACT 4
IacuteNDICE DE CONTENIDOS 6
INDICE DE FIGURAS 9
INDICE DE TABLAS 11
INTRODUCCION 12
CAPITULO I ENUNCIADO DE LA INVESTIGACIOacuteN 15
11 Planteamiento del problema 16
12 Preguntas de investigacioacuten 19
13 Hipoacutetesis 19
14 Objetivos 20
142 Objetivos especiacuteficos 20
CAPITULO II MARCO TEOacuteRICO 21
21 Marco Teoacuterico 22
22 Materiales con cambio de fase (PCM) 22
221 Funcionamiento 23
222 Propiedades 24
223 Almacenamiento de energiacutea teacutermica 25
224 Clasificacioacuten 26
2241 PCM inorgaacutenicos sales hidratadas 27
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2242 PCM orgaacutenicos parafinas aacutecidos grasos y mezclas orgaacutenicas 29
22421 Parafinas 31
22422 Aacutecidos Grasos 31
22423 Mezclas euteacutecticas 32
23 Criterios de seleccioacuten de los Materiales con Cambio se Fase 33
24 Vida uacutetil del material cambio fase 34
25 Aplicacioacuten en la construccioacuten 35
26 Encapsulacioacuten 37
261 Microcaacutepsulas 38
262 Macrocaacutepsulas 39
CAPITULO III MEacuteTODOS Y METODOLOGIacuteA 40
31 Herramienta de simulacioacuten de energiacutea 41
32 Descripcioacuten Vivienda en estudio 43
321 Meacutetodo de zona en software EnergyPlus 46
33 Datos meteoroloacutegicos 47
34 Jornadas de ocupacioacuten 48
35 Configuracioacuten envolvente por elemento y sistemas de climatizacioacuten 49
36 Caracterizacioacuten PCM 51
361 Seleccioacuten de Materiales Cambio Fase 52
362 Configuracioacuten del PCM en EnergyPlus 54
363 Cotizacioacuten PCM RT21 55
37 Caracterizacioacuten Macro encapsulacioacuten 56
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371 Cotizacioacuten Macro encapsulacioacuten 56
38 Validacioacuten muro constructivo con PCM 57
381 Cumplimiento de la OGUC y Resistencia al fuego 58
CAPITULO IV RESULTADOS Y DISCUSIOacuteN 62
41 Comportamiento Energeacuteticos de los materiales cambio fase 63
411 Rendimiento energeacutetico de calefaccioacuten con y sin PCM 63
412 Inversioacuten inicial y costos operativos en sistemas de calefaccioacuten con y
sin PCM 67
42 Propuesta de aplicacioacuten PCM a caso base como sistema de
actualizacioacuten 68
CONCLUSIONES 70
REFERENCIAS 72
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
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Diego Sarabia Meacutendez
INDICE DE FIGURAS
Figura 21 Diagrama de proceso de cambio de fase Hielo ndash Vapor 23
Figura 22 Clasificacioacuten de los Materiales Cambio Fase 26
Figura 23 Estabilizacioacuten de la temperatura interior de un edificio por el efecto
de la inercia teacutermica 36
Figura 24 Espesor requerido de distintos materiales Vs Energiacutea termina 36
Figura 25 Microcaacutepsulas 38
Figura 26 Caacutepsulas de macro PCM (Contenedor plano Esfera Placas de
barra doble) 40
Figura 31 Descripcioacuten Vivienda en estudio 44
Figura 32 Modelo de zona en casa de estudio 46
Figura 33 Zona y sub-superficie de vivienda en estudio 47
Figura 34 Configuracioacuten datos meteoroloacutegico 48
Figura 35 Planilla de uso horario de un recinto 49
Figura 36 Planilla configuracioacuten envolvente por elemento 50
Figura 37 Planilla configuracioacuten rango de temperatura confort teacutermico 51
Figura 38 Planilla configuracioacuten del tipo de sistema de climatizacioacuten 51
Figura 39 Configuracioacuten del PCM en el software 54
Figura 310 Cotizacioacuten del material RT21 55
Figura 311 Modulo Almacenamiento Macro encapsulacioacuten 56
Figura 312 Cotizacioacuten Macro encapsulacioacuten 57
Figura 313 Sistema Constructivo Muro exterior con PCM en vivienda estudio
61
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Figura 41 (a) Potencia maacutexima disentildeo con y sin PCM en vivienda estudio 64
Figura 41 (b) Caso 1 - Consumo energeacutetico en calefaccioacuten Lentildea con y sin
PCM en vivienda estudio 65
Figura 41 (c) Caso 2 - Consumo energeacutetico Bomba de calor con y sin PCM
en vivienda estudio 66
Figura 42 Inversioacuten inicial y costos operativos sistema climatizacioacuten con y sin
PCM en vivienda estudio 68
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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INDICE DE TABLAS
Tabla 21 Ventajas e inconvenientes de los PCM inorgaacutenicos 28
Tabla 22 Temperatura de fusioacuten de algunas sales hidratadas 29
Tabla 23 Ventajas e inconvenientes de los PCM orgaacutenicos 30
Tabla 24 Temperatura de fusioacuten de algunas parafinas 31
Tabla 25 Temperatura de fusioacuten de algunos aacutecidos grasos 32
Tabla 26 Clasificacioacuten de los PCMs 32
Tabla 27 Ventajas e inconvenientes de las microcapsulas 38
Tabla 28 Ventajas e inconvenientes de las Macrocaacutepsulas 39
Tabla 31 Resumen superficies de los distintos espacios vivienda en estudio
44
Tabla 32 Cumplimiento de la envolvente elementos constructivos de la
vivienda en estudio 44
Tabla 33 Especificaciones teacutecnicas de PCM a utilizar 52
Tabla 34 Clasificacioacuten de los edificios seguacuten su destino superficie edificada y
nuacutemero de pisos 58
Tabla 35 Resistencia al fuego para diferentes elementos de construccioacuten 59
Tabla 36 Tabique perimetral estructura madera en vivienda en estudio 60
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
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INTRODUCCION
Debido al avance de la ciencia y la tecnologiacutea la calidad de vida y los
sistemas de produccioacuten en la industria han mejorado lo que ha aumentado el
consumo mundial de energiacutea en paiacuteses industrializados y las economiacuteas
emergentes Este aumento en el consumo de energiacutea tiene efectos nocivos sobre
el medio ambiente como el aumento de las emisiones de gases a la atmoacutesfera
entre otros Por lo tanto los paiacuteses estaacuten promoviendo cada vez maacutes nuevas
poliacuteticas energeacuteticas y promoviendo dos tipos de acciones para reducir las
emisiones entre otras aumentar la proporcioacuten de energiacutea renovable y promover
medidas de ahorro y eficiencia energeacutetica Debido a las crecientes
preocupaciones sobre el consumo de energiacutea se necesita urgentemente maacutes
investigacioacuten
Entre las medidas de eficiencia energeacutetica surge la necesidad de estudiar
el uso de energiacutea solar a traveacutes de la aplicacioacuten de materiales de cambio de fase
(PCM seguacuten sus siglas en ingleacutes Phase Change Materials) Estudios recientes
sobre materiales de cambio de fase han demostrado que hay varios aspectos
para mejorar en la aplicacioacuten y caracterizacioacuten de estos materiales (Anisur
2013)
Actualmente el sector de la construccioacuten contribuye considerablemente al
consumo total de energiacutea y las emisiones de gases de efecto invernadero a la
atmoacutesfera Los edificios consumen maacutes del 40 de la energiacutea primaria del
mundo que es responsable del 30 de las emisiones de gases de efecto
invernadero (Thorpe 2011)
A nivel local el sector residencial es responsable de las altas demandas
energeacuteticas equivalente a 23 del consumo energeacutetico nivel paiacutes Del parque
habitacional existente en Chile 75 fue construido sin consideraciones teacutermicas
y de eficiencia energeacutetica dicha situacioacuten provoca que el usuario asuma el costo
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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del consumo energeacutetico en calefaccioacuten y refrigeracioacuten para mantener la vivienda
en zona confort (Wegertseder 2015)
Tradicionalmente el consumo de energiacutea se reduce mediante el uso de
aislamiento teacutermico de alta calidad en la envolvente de un edificio para reducir la
transferencia de calor entre el interior y exterior (Zhou D Tian Y Qu Y amp
Chen Y K 2016) Un aumento en la eficiencia de los sistemas de calefaccioacuten
ventilacioacuten y aire acondicionado (HVAC) tambieacuten ha sido responsable de una
reduccioacuten en el consumo de energiacutea sin embargo las mejoras en la eficiencia
energeacutetica no deben limitarse a estos enfoques
Un estudio de investigacioacuten describioacute que el aumento de la inercia teacutermica
del edificio reduce la cantidad de energiacutea utilizada para calefaccioacuten y refrigeracioacuten
(Ling H Chen C Qin H Wei S Lin J Li N) ya que reduce las
fluctuaciones en la temperatura interior ayudando a mantener el espacio interno
dentro del rango de confort teacutermico y reduciendo la necesidad de utilizar sistemas
de aire acondicionado
El almacenamiento de energiacutea se puede implementar mediante calor
sensible aumentando y disminuyendo la temperatura de los recubrimientos de
edificios o mediante calor latente Con la inclusioacuten de materiales de cambio de
fase conduce a una mayor densidad de energiacutea teacutermica Los materiales de
cambio de fase estaacuten asociados con el almacenamiento de calor latente (LHS)
con su principal ventaja de tener una alta densidad de almacenamiento a
temperatura constante Por lo tanto los materiales de cambio de fase han
demostrado que su almacenamiento de energiacutea teacutermica latente se puede utilizar
para calentar y enfriar a sistemas de construccioacuten pasivos o activos (B Zalba J
Marin L Cabeza y H Mehling 2003)
Investigaciones maacutes recientes han estudiado sus propiedades fiacutesicas
quiacutemicas cineacuteticas y especialmente teacutermicas para seleccionar el material de
cambio de fase maacutes adecuado para la presente investigacioacuten (Ramiacuterez A
Santos A amp Gonzaacutelez N 2012)
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
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El intereacutes sostenido en comprender la importancia de los materiales de
cambio fase llevoacute a investigar el disentildeo del elemento constructivo con los PCM
incorporados para reducir la demanda energeacutetica de la vivienda en estudio y
contribuir a mejoras de condiciones de habitualidad Aquiacute se utilizoacute la
herramienta simulacioacuten Energy Plus para evaluar el rendimiento teacutermico de una
vivienda en estudio ubicada en la ciudad de Concepcioacuten de la regioacuten del Biacuteo-Biacuteo
Chile
En este estudio se demostroacute que es posible maximizar la eficiencia del
ahorro de energiacutea en sistemas activos de climatizacioacuten al optimizar el PCM
aplicado a las paredes exteriores Se identificoacute que los materiales de cambio de
fase son una contribucioacuten a la implementacioacuten del acondicionamiento pasivo
debido a su gran almacenamiento energeacutetico
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
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CAPITULO I ENUNCIADO DE LA INVESTIGACIOacuteN
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11 Planteamiento del problema
En la actualidad las necesidades energeacuteticas a nivel mundial han
aumentado de manera significativa por distintas razones Hoy en diacutea los edificios
consumen maacutes del 40 de la energiacutea primaria del mundo que son responsables
del 30 de las emisiones de gases de efecto invernadero (Thorpe 2011)
A nivel local el sector residencial es responsable de las altas demandas
energeacuteticas equivalente a 23 del consumo energeacutetico nivel paiacutes Del parque
habitacional existente en Chile 75 fue construido sin consideraciones teacutermicas
y de eficiencia energeacutetica dicha situacioacuten provoca que el usuario asuma el costo
del consumo energeacutetico para mantener la vivienda en zona confort (Wegertseder
2015)
Se estima que el sector de la construccioacuten es el responsable de generar
el 33 del total de emisiones de gases de efecto invernadero (MINVU 2018)
A traveacutes de un estudio realizado el antildeo 2019 por la Caacutemara Chilena de
la Construccioacuten sobre los usos de la energiacutea en el sector residencial declara que
el 53 del consumo total de la vivienda chilena es destinado a calefaccioacuten (CDT
2019)
Una forma eficiente de reducir el consumo de energiacutea para calefaccioacuten o
refrigeracioacuten en los espacios es aumentar la inercia teacutermica de un edificio De
esta manera las temperaturas interiores son menos sensibles a las variaciones
de la temperatura exterior y se requiere menos energiacutea para mantenerlas en el
rango de confort teacutermico Un edificio con una estructura de marco de concreto
tendraacute una mayor inercia teacutermica que un edificio con una estructura de marco de
acero o madera (Soares N Costa J J Gaspar A R amp Santos P 2013) Una
forma de aumentar la inercia teacutermica de un edificio es utilizar el almacenamiento
de calor latente (LHS) que es la energiacutea que almacena un material cuando sufre
un cambio de fase (Akeiber H Nejat P Majid M Z A Wahid M A
Jomehzadeh F Zeynali Famileh IZaki S A 2016)
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El material de cambio de fase (PCM) es un tipo de material que
experimenta un cambio de fase en este caso de liacutequido a soacutelido a una
temperatura dentro del rango de confort teacutermico Este tipo de material tiene la
capacidad de almacenar grandes cantidades de energiacutea en comparacioacuten con los
materiales de construccioacuten tradicionales que solo almacenan calor sensible Por
ejemplo una pared que contiene PCM con 25 mm de espesor almacena
aproximadamente la misma energiacutea que una pared de concreto con 420 mm de
espesor (Al-Saadi S N amp Zhai Z 2013) Los PCM tienen un gran potencial
para aumentar la inercia teacutermica de un edificio debido a su gran LHS por lo tanto
son especialmente uacutetiles en edificios de construccioacuten livianas en seco como
estructuras reticulares en madera o acero galvanizados (Marin P Saffari M de
Gracia A Zhu X Farid M M Cabeza L F amp Ushak S 2016) Esto permite
que el edificio tenga menor peso un aacuterea uacutetil mayor y auacuten mantenga una alta
inercia teacutermica
Cuando los PCM cambian su estado de liacutequido a soacutelido liberan calor
latente y cuando cambian de soacutelido a liacutequido absorben calor latente Cuando este
proceso ocurre a una temperatura entre 19-27 degC el material contribuye a
aumentar el confort teacutermico porque ayuda a mantener la temperatura interna
dentro de este rango Durante el diacutea cuando hay demasiadas ganancias de
radiacioacuten solar este material cambia su fase de soacutelido a liacutequido absorbiendo
calor y evitando un aumento significativo de la temperatura interior Por la noche
cuando la temperatura exterior baja el material cambia su fase de liacutequido a
soacutelido liberando calor y evitando una gran disipacioacuten de energiacutea en el interior de
la vivienda (Jamil H Alam M Sanjayan J amp Wilson J 2017)
Durante el verano puede ocurrir un sobrecalentamiento en el muro y
hacer que se use un PCM que se derrita a altas temperaturas (alrededor de
26 degC) ya que evitaraacute que la temperatura de una habitacioacuten elevaacutendose por
encima del rango de confort teacutermico Si el objetivo es la estabilizacioacuten de la
temperatura interior en la zona de confort un PCM que se derrita a 23 degC deberiacutea
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ser la mejor opcioacuten En el invierno puede ser necesario evitar que la temperatura
de una habitacioacuten baje por debajo del rango de confort teacutermico y en este caso
se recomienda un PCM que solidifique alrededor de 21 degC (Soares N Gaspar
A R Santos P amp Costa J 2014)
Esta tecnologiacutea no solo tiene el potencial de ahorrar cantidades
considerables de energiacutea y emisiones de CO2 sino que tambieacuten se puede utilizar
para aprovechar los precios pico de electricidad utilizando las unidades de aire
acondicionado cuando hay una menor demanda en la red eleacutectrica Por ejemplo
en invierno la unidad de aire acondicionado (AC) podriacutea funcionar durante la
noche produciendo calor que seriacutea absorbido por el tablero PCM y luego liberado
por eacutel durante el diacutea cuando los precios de la electricidad son mucho maacutes altos
(Devaux P amp Farid M 2017) Esto tambieacuten como la ventaja de evitar el ruido y
las corrientes de aire causadas por las unidades de CA durante las horas de
trabajo de una oficina
Aunque esta tecnologiacutea tiene un gran potencial en almacenar energiacutea
con respecto a otros materiales existe el problema de la baja transferencia de
calor porque estos materiales generalmente tienen baja conductividad teacutermica lo
que hace que la absorcioacuten y liberacioacuten de calor por parte del PCM sea mucho
maacutes difiacutecil (Fan L amp Khodadadi J M 2011)
Para aprovechar la gran capacidad de almacenamiento de calor latente
la temperatura de una zona debe estar cerca de la temperatura de cambio de
fase de lo contrario un PCM solo almacena calor sensible que es insignificante
en comparacioacuten al calor latente (Chwieduk 2013)
Investigadores concluyen sobre acondicionamiento teacutermico en
envolventes de viviendas utilizando materiales de cambio de fase que la
implementacioacuten adecuada de los PCM en una edificacioacuten puede un 35 reducir
el consumo energeacutetico y por lo tanto es posible usar equipos de
acondicionamiento teacutermico de menor potencia e incluso prescindir de ellos (Bello
R E Muntildeoz M M Vasco C 2015)
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Diego Sarabia Meacutendez
En el desarrollo de aplicaciones para los PCM un investigador disentildeoacute un
muro con material de cambio de fase y para probar su funcionamiento utilizoacute dos
habitaciones ideacutenticas En la primera habitacioacuten los muros teniacutean un enlucido de
yeso normal y en la segunda habitacioacuten el muro poseiacutea una placa de yeso
revestido con micro encapsulacioacuten de PCM (50 butil estearato y 48 palmitato
de butilo) Resultoacute que la habitacioacuten con material cambio de fase una reduccioacuten
energeacutetica de 22 (Scalat S Banu D Hawes D Paris J Haghighata F
Feldman D 1996)
Los investigadores a nivel mundial han creado estrategias para
solucionar el consumo energeacutetico En Chile auacuten no se analiza en forma
sistemaacutetica considerando que seriacutea de gran ayuda para disminuir el consumo
energeacutetico residencial
Por todo lo anteriormente mencionado se establece que esta
investigacioacuten estaraacute orientada al estudio de materiales con cambio de fase
simulando su comportamiento teacutermico de una vivienda en estudio ubicada en la
ciudad de Concepcioacuten de la regioacuten del Biacuteo-Biacuteo utilizando el software Energy Plus
12 Preguntas de investigacioacuten
iquestEs posible disminuir la demanda energeacutetica de una vivienda en estudio
incorporando materiales con cambio de fase
iquestQueacute material PCM es conveniente utilizar en los muros de la vivienda en
estudio
iquestQueacute comportamiento tendraacuten los PCM en la simulacioacuten
13 Hipoacutetesis
Se puede mejorar la habitabilidad y reducir un 30 la demanda energeacutetica
de una vivienda en estudio en la ciudad de Concepcioacuten mejorando el
almacenamiento teacutermico de sus muros incorporando material con cambio de fase
(PCM)
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14 Objetivos
141 Objetivo general
Proponer una metodologiacutea de evaluacioacuten en funcioacuten de la realidad local
que permitiraacute analizar la potencialidad en aplicar los materiales cambio de fase
en las construcciones chilenas contribuyendo a mejorar las condiciones de
habitabilidad
142 Objetivos especiacuteficos
Identificar materiales con cambio de fase (PCM) utilizados como estrategia
de calefaccioacuten pasiva en edificacioacuten Con la validacioacuten de todos los
reglamentos en Chile
Definir el sistema constructivo del muro exterior en cuanto a la ubicacioacuten
del PCM
Definir materiales con cambio de fase en relacioacuten de sus propiedades
teacutermicas para realizar simulacioacuten energeacutetica
Definir metodologiacutea de caacutelculo y estimar ahorros energeacuteticos para la zona
en funcioacuten del material base
Obtener simulaciones de demanda energeacutetica para la vivienda en estudio
con y sin materiales de cambio de fase incorporados en sus muros
mediante el software Energy Plus
Optimizar el disentildeo de la solucioacuten constructiva con PCM en relacioacuten a los
datos de la zonificacioacuten
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CAPITULO II MARCO TEOacuteRICO
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21 Marco Teoacuterico
A continuacioacuten se nombraraacute conceptos esenciales que aborda la
investigacioacuten tales como aislacioacuten teacutermica conductividad teacutermica confort
teacutermico y Inercia teacutermica
Cabe de destacar que la inercia teacutermica juega un papel importante en los
sistemas de calefaccioacuten pasiva ya que el retraso teacutermico puede ser mayor o
menor dependiendo el espesor y materialidad
La inercia teacutermica permite ir liberando el calor acumulado en los elementos
compuestos por materiales pesados en la vivienda de manera tal que durante
la noche cuando la temperatura desciende esta baja sea amortiguada por el calor
cedido
En el verano la envolvente se encuentra expuesta a la radiacioacuten solar y al
soleamiento por lo tanto debe ser capaz de almacenar el calor obtenido desde
el exterior y asiacute evitar que la temperatura en el interior del recinto sea elevada
durante el diacutea generando una peacuterdida de confort (CCHC 2010)
22 Materiales con cambio de fase (PCM)
Un PCM es una sustancia capaz de almacenar y liberar energiacutea del medio
que le rodea manteniendo la temperatura constante durante la transferencia de
calor Este intercambio de energiacutea se denomina calor latente de un material y se
produce durante el cambio de fase del mismo El intereacutes de estos materiales es
que durante el cambio de fase la temperatura media se mantiene constante
mientras el material absorbe o libera energiacutea durante la etapa de fusioacuten o
solidificacioacuten del material Esto supone una mayor densidad energeacutetica en este
proceso respecto a un intercambio por calor sensible
En una investigacioacuten sobre PCM afirma que estos mediante su calor
latente de fusioacuten almacenan de 5 a 14 veces maacutes calor por unidad de volumen
que materiales por almacenamiento de calor sensible como el agua albantildeileriacutea
o rocas entre otras (Sharma 2009)
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
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Para la investigacioacuten se estudioacute materiales cambio fase de estado liacutequido-
solido ya que aunque la cantidad de energiacutea almacenada es inferior que entre
otros cambios de estado (solido-gas) la variacioacuten de volumen del estado es
menor
221 Funcionamiento
La mejor forma para explicar el funcionamiento de estos materiales es
estudiando el proceso de cambio de fase del agua en estado liacutequido el agua va
aumentando su temperatura progresivamente hasta alcanzar los 100degC Una vez
alcanza esta temperatura empieza su cambio de estado en el cual absorberaacute
calor pero mantendraacute una temperatura constante de 100degC hasta que finalice su
cambio de fase y todo el liacutequido se haya convertido en vapor De manera inversa
ocurre cuando la temperatura del agua disminuye hasta alcanzar los 0degC En este
caso el agua empezaraacute a liberar calor y durante este proceso mantendraacute su
temperatura constante en 0degC hasta que complete su solidificacioacuten y todo el
liacutequido se haya convertido en hielo (B Zalba J Marin L Cabeza y H Mehling
2003)
En la Figura 21 se observa coacutemo la temperatura se mantiene constante
en 0degC formando una recta horizontal durante su cambio de fase y posteriormente
en 100degC hasta que se convierte en vapor
Figura 21 Diagrama de proceso de cambio de fase Hielo ndash Vapor
Fuente (B Zalba J Marin L Cabeza y H Mehling 2003)
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
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Del mismo modo actuacutean los PCM cada uno tiene su propia temperatura
de cambio de fase y gracias a las variaciones de temperatura entre el diacutea y la
noche ocurren los ciclos de fusioacuten y solidificacioacuten de estos materiales resultando
en la absorcioacuten maacutexima de energiacutea durante el diacutea cuando las temperaturas
suben y la disipacioacuten de eacutesta en la noche cuando la temperatura ambiente baja
La energiacutea utilizada para cambiar el estado del material dado que la temperatura
de cambio de fase es aproximada a la temperatura ambiente de confort deseada
daraacute lugar a un clima interior maacutes estable y coacutemodo asiacute como tambieacuten reduciraacute
las cargas de enfriamiento y calefaccioacuten en horas pico especialmente en
aquellas edificaciones con baja masa teacutermica (S E Kalnaes and B P Jelle
2015)
222 Propiedades
A continuacioacuten se describiraacuten las propiedades maacutes relevantes que definen un
material de cambio de fase (Oroacute 2012)
a) Propiedades Termofisica
Temperatura de fusioacuten (Tf) en el rango de funcionamiento seguacuten la
aplicacioacuten
Alto calor latente de fusioacuten (ΔHf) por unidad de volumen
Alto calor especiacutefico para proporcionar calor sensible adicional
significativo
Alta conductividad teacutermica en fase soacutelida y liacutequida (buena transferencia de
calor)
Baja variacioacuten de volumen en el cambio de fase y baja presioacuten de vapor a
la temperatura de funcionamiento
Fusioacuten congruente del material de cambio de fase con cada ciclo de
solidificacioacutenfusioacuten con el miacutenimo sub-enfriamiento
Cambio de fase ciclo continuo con termino de vida uacutetil
Alta densidad
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Diego Sarabia Meacutendez
b) Propiedades quiacutemicas
Ciclo de solidificacioacutenfusioacuten reversible y completo
Baja degradacioacuten despueacutes de un elevado nuacutemero de ciclos de
fusioacutensolidificacioacuten
No corrosivo para los materiales encapsulados
No toacutexico no inflamable y no explosivo
c) Econoacutemicas
Abundante y disponible
Rentable en relacioacuten al ahorro energeacutetico y costos del material
Faacutecil reciclaje y tratamiento quiacutemicos
223 Almacenamiento de energiacutea teacutermica
La necesidad de almacenamiento energeacutetico y de buscar formas de
acondicionamiento pasivo es lo que inspira a la investigacioacuten a centrarse en el
almacenamiento teacutermico Es fundamental para el desarrollo del paiacutes disminuir la
demanda energeacutetica sin sacrificar el confort (PRIEN 2002)
En esta seccioacuten de la investigacioacuten se daraacute a conocer las formas de
almacenamiento teacutermico existentes y dando eacutenfasis al almacenamiento
energeacutetico por calor latente donde pertenecen los materiales de cambio fase
(PCM)
El equilibrio termodinaacutemico de los PCM se debe principalmente a los
intercambios de calor con el entorno externo El tiempo para que el PCM alcance
el nuevo equilibrio termodinaacutemico es el tiempo necesario para que el calor sea
intercambiado con el espacio a climatizar Los paraacutemetros baacutesicos de los
materiales de cambio de fase incluyen seguacuten ecuacioacuten (1)
bull Capacidad caloriacutefica [J kg]
119876 = int 119862119901119904 119889119905 + 119862119898 + int 119862119901119897 119889119905 cong 119862119901119904(119879119898 minus 1198791) + 119862119898 + 1198792
119879119898
119879119898
1198791
119862119901119897(1198792 minus 1198791)
Ec 1
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
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Donde 119862119901119904 o 119862119901119897 Calor especiacutefico soacutelido y liacutequido kJ(kg times K) 119862119898 Calor
de transformacioacuten de fase (fusioacuten) kJ(kg times K) Tm - temperatura de transicioacuten
de fase (fusioacuten) T1 T2 rango de temperatura de funcionamiento de operacioacuten
224 Clasificacioacuten
Actualmente existe un gran nuacutemero de materiales cambio fase que han
sido investigados debido a que poseen una temperatura y un alto calor latente
de fusioacuten dentro del rango operacional deseado sin embargo exceptuando por
esta caracteriacutestica la mayoriacutea de estos materiales no satisfacen los otros
criterios necesarios para un medio de almacenamiento adecuado (Sharma
2009)
Aquellos que siacute responden a estas prestaciones y se encuentran disponibles en
el mercado pueden ser clasificados en tres grandes grupos orgaacutenicos
inorgaacutenicos y euteacutecticos (V Tyagi amp D Buddhi 2007)
Figura 22 Clasificacioacuten de los Materiales Cambio Fase
Fuente Elaboracioacuten Propia
Materiales Cambio Fase
Organico
Parafina Acido Graso
Inorganico
Sal Hidratada
Metalico
Eutectico
Inorganico -Inorganico
Inorganico -Organico
Organico -Organico
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Los materiales de cambio de fase liquido-solido maacutes comunes estaacuten en el
rango de temperaturas entre 20degC y 80 degC son las ceras de parafina sales
hidratadas mezclas euteacutecticas y aacutecidos grasos
Las ceras de parafina estaacuten disponibles en el mercado pero su calor
latente (hasta 200 kJkg) es solo la mitad del de las sales hidratadas
Las sales hidratadas son maacutes econoacutemicas que las ceras de parafina y
tambieacuten estaacuten disponibles en el mercado pero tienen algunas desventajas como
las bajas temperaturas de fusioacuten o la corrosioacuten en contacto con metales
En las mezclas euteacutecticas intervienen dos componentes con punto de
fusioacuten (solidificacioacuten) maacutes bajo que el que poseen los compuestos
individualmente Esto hace que la mezcla alcance el punto de congelacioacuten maacutes
bajo posible y ambos se solidifiquen a esa temperatura euteacutectica (Ramiacuterez A
Santos A amp Gonzaacutelez N 2012)
Los PCM tienen una significativa capacidad de almacenar calor por medio
del cambio de estado pero es necesario tener en cuenta los paraacutemetros de
disentildeo del problema y las ventajas y desventajas de los diferentes tipos de
materiales para determinar cuaacuteles son los maacutes apropiados de utilizar en la
construccioacuten dependiendo de sus diferentes caracteriacutesticas y maacutes importante
aun dependiendo de si su temperatura de cambio de fase se acerca a la
temperatura de confort
2241 PCM inorgaacutenicos sales hidratadas
Seguacuten varios investigadores estos materiales fueron muy estudiados en
las primeras etapas de investigacioacuten de PCM por su bajo costo y su capacidad
de almacenamiento de grandes cantidades de calor por unidad de volumen en
comparacioacuten con las sustancias orgaacutenicas que las convierten en candidatos
idoacuteneos para sus muacuteltiples aplicaciones en el aacutembito del almacenamiento de
energiacutea
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
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La buacutesqueda de sustancias con temperatura de cambio de fase proacutexima a
la temperatura ambiente no ha encontrado buenos candidatos dentro de este
grupo y las investigaciones se han dirigido maacutes hacia las sustancias orgaacutenicas
Tabla 21 Ventajas e inconvenientes de los PCM inorgaacutenicos
Ventajas Inconvenientes
Econoacutemicos Problemas en el encapsulado y preparacioacuten
del material
Elevada densidad de
almacenamiento teacutermico
Para un uso prolongado necesita de aditivos
Elevada conductividad teacutermica Son susceptibles de sub enfriamiento
(Inestables)
Temperatura de cambio de fase
claramente definida
Debido a la inestabilidad teacutermica y histeacuteresis
se debe aplicar aditivos para evitar una fusioacuten
incongruente en su aplicacioacuten donde puede
reducir su capacidad de almacenamiento de
calor latente
No inflamables Potencialmente corrosivos con algunos
metales
Reciclables y biodegradables
Fuente (Ramiacuterez A Santos A amp Gonzaacutelez N 2012)
Las sales hidratadas tienen algunas propiedades atractivas como los
elevados valores de calor latente no son inflamables y su elevado contenido
hiacutedrico significa que son baratos y muy disponibles Sin embargo sus
caracteriacutesticas de inadaptacioacuten (corrosioacuten inestabilidad dificultades de re-
solidificacioacuten y tendencia al sub enfriamiento) han implicado la realizacioacuten de
estudios hasta la actualidad para poder manejar estas desventajas y realizar su
correcta aplicacioacuten Necesitan por tanto un contenedor para utilizarlos como
aditivos de otros materiales (Ramiacuterez A Santos A amp Gonzaacutelez N 2012)
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Tabla 22 Temperatura de fusioacuten de algunas sales hidratadas
PCM Temperatura
fusioacuten (ordmC)
Q fusioacuten (kJkg)
KFmiddot4H2O 185 231
Na2SO4middot10H2O 324 254
CaCl2middot6H2O 24ndash29 192
CaCl2middot6H2O+Nucleador+MgCl2middot6H2O 23 -
Fuente (Ramiacuterez A Santos A amp Gonzaacutelez N 2012)
En la tabla 21 se muestran algunas ventajas y desventajas de los PCM
inorgaacutenicos y en la tabla 22 se muestran las temperaturas de fusioacuten de las sales
hidratadas que permiten determinar cuaacuteles son las oacuteptimas para utilizar en
aislacioacuten (las cuales su temperatura de fusioacuten se acerca a la temperatura de
confort)
2242 PCM orgaacutenicos parafinas aacutecidos grasos y mezclas orgaacutenicas
Los PCM orgaacutenicos poseen unas caracteriacutesticas que los hacen muy uacutetiles
en su aplicacioacuten en determinados elementos constructivos para almacenamiento
de calor latente
Investigadores determinaron que son maacutes estables quiacutemicamente que las
sustancias inorgaacutenicas funden y solidifican convenientemente sin necesidad de
agentes nucleadores y no sufren sub-enfriamiento o histeacuteresis (Gawron 1981)
No obstante se ha demostrado que son maacutes compatibles y adecuados para la
adsorcioacuten en varios materiales constructivos Aunque el costo inicial en materia
prima de un PCM orgaacutenico es superior al de un inorgaacutenico su costo final es
competitivo
Sin embargo estos materiales tienen otras desventajas la maacutes
significativa es que son inflamables y que emiten gases nocivos durante su
combustioacuten Otros problemas menos extendidos son las reacciones con los
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
30
Diego Sarabia Meacutendez
productos de la hidratacioacuten en hormigoacuten (hidroacutexido de calcio) envejecimiento por
oxidacioacuten y cambios de olor
Muchos de estos inconvenientes se han eliminado Se ha visto que el
envejecimiento por oxidacioacuten de los PCM puede inhibirse utilizando un oxidante
adecuado Se estaacute investigando tambieacuten en la emisioacuten de gases y la
inflamabilidad de algunos de los PCM maacutes efectivos para establecer un radio de
ignicioacuten Tambieacuten se estaacute investigando sobre la compatibilidad de los PCM con
el hormigoacuten (Ramiacuterez A Santos A amp Gonzaacutelez N 2012)
En la tabla 23 se muestran algunas ventajas y desventajas de los PCM
orgaacutenicos y en la tabla 24 y 25 se muestran las temperaturas de fusioacuten de las
parafinas y aacutecidos grasos que permiten determinar cuaacuteles son las oacuteptimas para
utilizar en aislacioacuten (las cuales su temperatura de fusioacuten se acerca a la
temperatura de confort)
Tabla 23 Ventajas e inconvenientes de los PCM orgaacutenicos
Ventajas Inconvenientes
Faacuteciles de usar Calor latente y entalpiacutea maacutes bajos
Estabilidad teacutermica y quiacutemica Baja conductividad teacutermica
No sufren subenfriamiento Amplio rango de fusioacuten
No necesitan agente nucleador para
solidificar
Inflamables
No corrosivos Reaccioacuten potencial con hormigoacuten
Reciclables y ecoloacutegicamente inocuos Alto costo
Compatibilidad con materiales de construccioacuten convencionales
Fuente (Ramiacuterez A Santos A amp Gonzaacutelez N 2012)
Dentro de los PCM orgaacutenicos se pueden encontrar tres grupos de
sustancias diferentes parafinas aacutecidos grasos y mezclas orgaacutenicas A
continuacioacuten se presenta una pequentildea descripcioacuten de estos (Ramiacuterez A
Santos A amp Gonzaacutelez N 2012)
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
31
Diego Sarabia Meacutendez
22421 Parafinas
Las parafinas son esencialmente un alcalino solido refinado Muestran dos
rangos de enfriamiento un rango maacutes estrecho para un breve periodo de tiempo
y un rango maacutes extenso que ocurre durante un periodo maacutes amplio Ambos se
interpretan como una transicioacuten de liacutequido a amorfo-soacutelida y amorfo-solida a
cristalino-solida respectivamente Parte del calor latente total de fusioacuten se
almacena en la sustancia durante cada una de estas transiciones
Tabla 24 Temperatura de fusioacuten de algunas parafinas
PCM Temperatura fusioacuten (ordmC) Q fusioacuten (kJkg)
Hexadecano 18 236
Heptadecano 22 214
Octadecano 28 244
Parafina 20ndash60 200
RT25 25 147
Fuente (Ramiacuterez A Santos A amp Gonzaacutelez N 2012)
22422 Aacutecidos Grasos
Los aacutecidos grasos derivados de productos animales y vegetales estaacuten
constituidos por una larga cadena alifaacutetica maacutes de 12 carbonos Su cadena
alquiacutelica puede ser saturada o insaturada
En general muestran excelentes caracteriacutesticas teacutermicas (punto de fusioacuten
y congelacioacuten) El rango de temperatura de refrigeracioacuten es grande y no se
produce sub enfriamiento aunque en algunos casos se han detectado Estos
materiales sin embargo tienen elevado costo pudieacutendose utilizar en dispositivos
especiales de almacenamiento de calor o frio
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
32
Diego Sarabia Meacutendez
Tabla 25 Temperatura de fusioacuten de algunos aacutecidos grasos
PCM Temperatura fusioacuten (ordmC) Q fusioacuten (kJkg)
Caacuteprico 315 158
Laacuteurico 42-44 179
Pentadecano 52 159
Miriacutestico 54 190
Palmiacutetico 63 183
Esteaacuterico 70 196
Eritrol 116-118 126
Fuente (Ramiacuterez A Santos A amp Gonzaacutelez N 2012)
2243 Mezclas euteacutecticas
Tambieacuten existen las mezclas euteacutecticas que puede ser la mezcla de 2
PCM orgaacutenicos de 2 PCM inorgaacutenicos o de un PCM Orgaacutenico maacutes un PCM
inorgaacutenico A continuacioacuten en la tabla 26 se muestra la clasificacioacuten de los PCM
Tabla 26 Clasificacioacuten de los PCMs
Tipo PCM Composicioacuten
Orgaacutenicos Compuestos de parafina
Compuestos sin parafina
Inorgaacutenicos Sales hidratadas
Metaacutelicos
Euteacutecticos Orgaacutenico-Orgaacutenico
Orgaacutenico-Inorgaacutenico
Inorgaacutenico-Inorgaacutenico
Fuente (JuarezD Balart R Ferrandiz S amp Garcia D 2012)
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
33
Diego Sarabia Meacutendez
23 Criterios de seleccioacuten de los Materiales con Cambio se Fase
Es muy importante la correcta seleccioacuten del material de cambio de fase
dependiendo del campo en que se desee utilizar por lo que a continuacioacuten se
presentaran algunos criterios para seleccionar un PCM correctamente Estos
criterios son propuestos seguacuten una investigacioacuten realizada en Espantildea (Ramiacuterez
A Santos A amp Gonzaacutelez N 2012)
a) Fiacutesicas
bull La densidad del liacutequido y del solido deben ser similares y preferiblemente
elevadas para poder almacenar mayor cantidad de calor por unidad de volumen
bull Variacioacuten de volumen (en el cambio de fase) bajo
b) Cineacuteticas
bull Evitar el problema de histeacuteresis subenfriamiento o retardo al inicio de la
solidificacioacuten como ocurre en los PCM inorgaacutenicos que se produce al no ceder
el calor latente de un PCM pese a que su temperatura sea inferior al punto de
congelacioacuten
c) Quiacutemicas
bull El proceso de cambio de fase debe ser totalmente reversible y solo dependiente
de la temperatura
bull Ser quiacutemicamente estables en el tiempo evitando su descomposicioacuten y
contaminacioacuten
bull No presentar segregacioacuten de fases
bull Ser compatibles con los materiales de encapsulado y otros con los que esteacute en
contacto estabilidad quiacutemica para evitar oxidacioacuten descomposicioacuten teacutermica
hidroacutelisis corrosioacuten y otras reacciones
bull No inflamables y resistentes al fuego
d) Teacutermicas
bull La temperatura de cambio de fase debe ser adecuada a cada aplicacioacuten
particular
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
34
Diego Sarabia Meacutendez
bull Presentar una temperatura de fusioacuten definida o al menos el cambio de fase
debe producirse en un valor discreto o en un pequentildeo intervalo de temperaturas
bull Poseer una gran capacidad de almacenamiento de calor sensible (calor
especiacutefico) en estado soacutelido y liacutequido y elevada entalpia de cambio de fase calor
latente
bull Poseer una alta conductividad teacutermica para facilitar la transferencia de calor
e) Econoacutemicas
bull Estar disponible en grandes cantidades a bajo costo para que sean viables
teacutecnica y econoacutemicamente
bull Tener un razonable ciclo de vida uacutetil de acuerdo con su costo
24 Vida uacutetil del material cambio fase
El tiempo de vida uacutetil de un PCM viene determinado por la cantidad de
ciclos teacutermicos que es capaz de soportar un material manteniendo su estabilidad
teacutermica El PCM es sometido a repetidos ciclos de calentamiento y enfriamiento
en los que el material cambia de fase de soacutelido a liacutequido y posteriormente vuelve
a cambiar de fase de liacutequido a soacutelido Se miden sus propiedades teacutermicas en
temperaturas fusioacuten y entalpias obteniendo el nuacutemero de ciclos en los que las
propiedades teacutermicas del material no variacutean de forma considerable
Tras realizar una exhaustiva buacutesqueda existe muy poca bibliografiacutea
acerca de la degradacioacuten teacutermica de los PCM y la determinacioacuten de su tiempo de
uso especialmente en aplicaciones para edificacioacuten donde la vida uacutetil del material
debe ser elevada
Aunque es complicado conocer la vida uacutetil real de estos materiales y en
queacute momento dejan de conservar sus propiedades adecuadas para las
aplicaciones a las que se destina existen algunos artiacuteculos basados en
experimentos realizados en laboratorios de materiales sometidos a ciclos
teacutermicos acelerados para determinar si en un nuacutemero de ciclos el material
mantiene sus propiedades teacutermicas intactas (temperaturas fusioacuten y entalpias)
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
35
Diego Sarabia Meacutendez
Algunos materiales son sometidos a 50 100 1000 o hasta 5000 ciclos teacutermicos
Pero el problema es determinar si ese maacuteximo de 5000 ciclos es suficiente para
asegurar que un material seguiraacute cumpliendo su funcioacuten Hasta el momento no
se ha encontrado en la literatura ninguna investigacioacuten donde se ensaye el
material un nuacutemero suficiente de ciclos hasta la peacuterdida de sus propiedades
teacutermicas para poder conocer su vida uacutetil o el nuacutemero de ciclos que es capaz de
soportar el PCM hasta su degradacioacuten
Por todo lo anteriormente expuesto en esta investigacioacuten se ha
considerado la vida uacutetil del material como el mayor nuacutemero de ciclos soportados
por un material obtenidos a partir de los estudios realizados por diferentes autores
en la literatura o fabricante a pesar de no haber llegado a degradarse en su
totalidad
25 Aplicacioacuten en la construccioacuten
El sector de la construccioacuten es el que maacutes beneficios puede obtener de la
utilizacioacuten de materiales con cambio de fase (PCM) ya que tiene importantes
beneficios en ahorro energeacutetico reducir la contaminacioacuten de CO2 y optimizar la
inercia teacutermica en las edificaciones con el objetivo de mejorar la habitabilidad de
los usuarios
La temperatura interior en un edificio depende de las condiciones
exteriores interiores y de las caracteriacutesticas teacutermicas de la edificacioacuten como la
capacidad teacutermica de los materiales que tiene un efecto como el mostrado en la
figura 23 el cual no considera un sistema activo en su anaacutelisis
Figura 23 Estabilizacioacuten de la temperatura interior por el efecto inercia teacutermica
Fuente (M Kenisarin amp K Mahkamov 2007)
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
Actualmente la mayoriacutea de los materiales de construccioacuten son livianos lo
que trae como consecuencia una baja capacidad caloriacutefica La introduccioacuten de
materiales de cambio de fase puede aumentar la inercia teacutermica del edificio sin
aumentar mucho su peso Sin embargo es necesario disponer de aacuterea de
transferencia de calor suficiente para liberar esa energiacutea (Dincer I amp Rosen M
2002) y es imprescindible que se pueda descargar el material por medio de la
ventilacioacuten durante la noche para prevenir el sobrecalentamiento en los
elementos con PCM (M Kenisarin amp K Mahkamov 2007)
La Figura 24 muestra una comparacioacuten entre el espesor de material
requerido para obtener la misma capacidad teacutermica que la obtenida con un
centiacutemetro de PCM
Figura 24 Espesor requerido de distintos materiales Vs Energiacutea teacutermica
Fuente (M Kenisarin amp K Mahkamov 2007)
Las caracteriacutesticas requeridas para el empleo de materiales de cambio de
fase en la edificacioacuten son
0 5 10 15 20 25 30 35 40
Yeso
Madera
Hormigon
Ceramico
Ladrillo
PCM
Espesor (cm)
H (
kJK
g)
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
Temperatura de cambio de fase entre 12 y 25ordmC
Alta estabilidad a los ciclos de cambio de fases debido a la larga vida uacutetil
de los edificios
No corrosivos para reducir el riesgo de fuga de su contenedor y evitar
dantildeos en la estructura del edificio
Considerar la inflamabilidad al fuego y dar soluciones constructivas de
acuerdo a la normativa
Econoacutemicamente viable en funcioacuten de los costos de implementacioacuten y
ahorro energeacuteticos
Una limitacioacuten de los PCM para su aplicacioacuten en la construccioacuten es la
estacionalidad pues el PCM debe ser seleccionado para aplicaciones en
calefaccioacuten pasiva Esta limitacioacuten reduce los beneficios teacutermicos el ahorro
energeacutetico y su viabilidad econoacutemica Investigadores estudiaron un concepto de
doble capa de PCM para que funcionara durante todo el antildeo (A Pasupathy L
Athanasius R Velraj amp RV Seeniraj 2008)
26 Encapsulacioacuten
Uno de los criterios que ha limitado el uso generalizado de los PCM es la
incompatibilidad entre estos materiales y sus contenedores afectando su
estabilidad a largo plazo degradado sus propiedades y provocando la corrosioacuten
de sus recipientes de embalaje Como respuesta a estos inconvenientes han
surgido diferentes teacutecnicas de encapsulacioacuten de los PCM las cuales ofrecen
unas ventajas significativas tales como
Aumento del aacuterea de transferencia de calor
Reduccioacuten de la reactividad hacia el ambiente exterior
Control de los cambios en el volumen eacutestos ocurren dentro de la capsula
No hay absorcioacuten de humedad
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
Los meacutetodos de encapsulacioacuten clasificados de acuerdo a su tamantildeo
pueden ser de dos tipos micro y macro encapsulados (Lane 1986)
261 Microcaacutepsulas
Una investigacioacuten menciona que la micro encapsulacioacuten podriacutea definirse
como el proceso de rodear o envolver una sustancia en otra sustancia a escala
muy reducida produciendo caacutepsulas que van desde 1 μm a 1000 μm de diaacutemetro
Los tres estados de la materia (soacutelidos liacutequidos y gases) pueden ser micro
encapsulado
El material de la membrana exterior debe ser compatible con el PCM y a
su vez ser capaz de hacer frente a la tensioacuten mecaacutenica sobre las paredes del
recipiente provocada por las variaciones de volumen durante el cambio de fase
(S E Kalnaeligs amp B P Jelle 2015)
Por lo general los PCM micro-encapsulados se encuentran
comercialmente disponibles en dos formatos dispersioacuten fluida donde las
caacutepsulas son dispersadas en agua o en polvo en mezclas en seco
La figura 25 muestra en teacuterminos practico la conformacioacuten de la
envolvente de poliacutemero en una cera PCM dimensionando el tamantildeo en ellas
Figura 25 Microcaacutepsulas
Fuente (S E Kalnaes and B P Jelle 2015)
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
262 Macrocaacutepsulas
La macro-encapsulacioacuten hace referencia a PCM encapsulados en
cualquier tipo de recipiente tal como tubos esferas o paneles que pueden ser
incorporados en materiales de construccioacuten o que actuacutean como intercambiadores
de calor por siacute mismos El tamantildeo de estos contenedores es por lo general maacutes
de 1 cm3 almacenando desde varios mililitros hasta varios litros La tecnologiacutea
de macro encapsulacioacuten emplea un proceso de encapsulacioacuten de doble capa
creando una caacutepsula con una configuracioacuten en forma de matriz La principal
ventaja de los envases plaacutesticos es la disponibilidad en el mercado y la facilidad
de producirlos en una gran variedad de formas y con pocas restricciones
geomeacutetricas Ademaacutes son compatibles con la mayoriacutea de PCM incluyendo las
sales hidratadas por lo general no presentan degradacioacuten aunque algunos
materiales orgaacutenicos pueden llegar a suavizarlos (S E Kalnaes and B P Jelle
2015)
El PCM se encuentra confinado por la encapsulacioacuten evitaraacute cambios
volumeacutetricos importantes lo que evita varios riesgos y garantiza la integridad del
componente en el que se insertan las caacutepsulas La barrera polimeacuterica puede ser
de otros materiales por ejemplo como aluminio ya que mejora la compatibilidad
con otros materiales de construccioacuten y evita la corrosioacuten Este tipo de aplicacioacuten
es de faacutecil manejo una clara ventaja de este proceso en relacioacuten a los meacutetodos
de impregnacioacuten e inmersioacuten del iacutetem anterior
Figura 26 Caacutepsulas de macro PCM (Contenedor plano Esfera Placas de
barra doble y placas de aluminio)
Fuente (S E Kalnaeligs amp B P Jelle 2015)
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
CAPITULO III MEacuteTODOS Y METODOLOGIacuteA
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
41
Diego Sarabia Meacutendez
En este estudio la evaluacioacuten se centra en el anaacutelisis de optimizacioacuten de
la aplicacioacuten PCM a los muros exteriores y dimensionamiento del rendimiento
teacutermico de una vivienda en estudio
Los modelos generados en el software Energy Plus se ingresoacute valores de
los sistemas constructivos de la vivienda en estudio condiciones climaacuteticas
caracterizacioacuten PCM en muros exteriores y caracterizacioacuten macro encapsulacioacuten
de acuerdo con las directrices (DOE 2016) se explica en las siguientes secciones
del capiacutetulo
31 Herramienta de simulacioacuten de energiacutea
Para evaluar los PCM de comportamiento teacutermico variable de la vivienda
en estudio con y sin PCM se utilizoacute el software EnergyPlus v 87
En teacuterminos generales el software puede evaluar una variedad de caacutelculos
destacados como los caacutelculos de puentes teacutermicos HVAC integrado y
simulaciones de carga de construccioacuten confort teacutermico y materiales con
conductividad teacutermica variable como el PCM (DB Crawley LK Lawrie FC
Winkelmann WF Buhl YJ Huang amp CO Pedersen 2001) Ademaacutes hay
muchas opciones para la conveccioacuten de la superficie interior y exterior
algoritmos infiltracioacuten avanzada e ventilacioacuten energiacutea desarrollada costos del
ciclo de vida algoritmos avanzados de confort teacutermico como como la calidad del
aire interior y el confort teacutermico para los ocupantes (DB Crawley JW Hand M
Kummert amp BT Griffith 2008)
Para analizar el comportamiento teacutermico variable de los PCM en estudio
se utilizoacute el algoritmo de diferencia finita de conduccioacuten (CondFD) Este algoritmo
modela la transferencia de calor en presencia de PCM y junto con la ecuacioacuten (2)
discretiza la envolvente del edificio en varios nodos para resolver numeacutericamente
la transferencia de calor en el software se puede escoger ecuaciones por un
esquema totalmente impliacutecito y el Crank-Nicolson que es semi-impliacutecito (KO
Lee 2016)
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
En esta investigacioacuten se utiliza un esquema Crank-Nicolson para simular
PCM para un material homogeacuteneo con espaciado uniforme de nodos como se
muestra en la ecuacioacuten (2) (3) y (4) extraiacutedo del manual del software
EnergyPlus (DOE 2016)
119862119901120588∆119909119879119894
119895+1minus 119879119894
119895
∆119905= (119896119908
119879119894+1119895+1
minus 119879119894119895+1
∆119909+ 119896119864
119879119894minus1119895+1
minus 119879119894119895+1
∆119909+ 119896119908
119879119894+1119895
minus 119879119894119895
∆119909+ 119896119864
119879119894minus1119895
minus 119879119894119895
∆119909)
Ec 2
∆119909 = radic119888120572∆119905 Ec 3
Donde Cp y ρ son el calor especiacutefico y la densidad del material Δ119909 es el
espesor de capa de diferencia finita Δ119905 es el paso de tiempo 119879 es la temperatura
de un nodo 119894 119894 + 1 y 119894 minus 1 son los nodos adyacentes al interior y exterior
respectivamente de una capa de material 119895 y 119895 + 1 son los pasos de tiempo
anterior y nuevo 119896119908 y 119896119864 representan las conductividades teacutermicas 119896119908 =
119896119894+1119895+1
+119896119894119895+1
2 y 119896119864 =
119896119894minus1119895+1
+119896119894119895+1
2 120572 es la difusividad teacutermica del material y 119888 es la
constante de discretizacioacuten del espacio que puede definir el usuario (3 es el valor
predeterminado para esta constante seguacuten manual)
Esta investigacioacuten considera el uso de paneles PCM por lo tanto el
algoritmo CondFD ecuacioacuten (2) debe combinarse con una funcioacuten de temperatura
de entalpiacutea ℎ = ℎ (119879) estos datos en la funcioacuten se obtendraacuten de acuerdo al estudio
bibliograacutefico El algoritmo usa esta funcioacuten para actualizar el calor especiacutefico
equivalente (119862119901) en cada paso de tiempo como se muestra en la ecuacioacuten (4)
lowast 119862119901(119879) =ℎ119894
119895minus ℎ119894
119895minus1
119879119894119895
minus 119879119894119895minus1
Ec 4
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
32 Descripcioacuten Vivienda en estudio
En este apartado se define los sistemas constructivos de la vivienda en
estudio con y sin PCM para obtener la liacutenea base de comparacioacuten
En la figura 31 se muestra el disentildeo de vivienda en estudio de 56 m2 y
los espacios interiores con su distribucioacuten de aacutereas veacutease en la tabla 31 esta
vivienda se configuro de acuerdo a las soluciones constructivas acreditadas
(MINVU Soluciones constructivas acreditadas al fuego teacutermico y acuacutestico
2020)
Las caracteriacutesticas de la envolvente de la vivienda en estudio cuentan con
la configuracioacuten miacutenima de la reglamentacioacuten teacutermica que actualmente rige en
Chile estaacute establecida en la Ordenanza General de Urbanismo y Construcciones
en su artiacuteculo 4110 y en una zonificacioacuten del paiacutes en zonas teacutermicas seguacuten
grados-diacutea especificados en el manual de aislamiento teacutermico (MINVU Manual
de aplicacioacuten y reglamentacoacuten teacutermica 2017) Los complejos de techumbres
muros perimetrales y pisos inferiores ventilados entendidos como elementos que
constituyen la envolvente de la vivienda deberaacuten tener una transmitancia teacutermica
ldquoUrdquo igual o menor o una resistencia teacutermica total ldquoRtrdquo igual o superior a la
sentildealada para la zona que le corresponda al proyecto de arquitectura de acuerdo
con los planos de zonificacioacuten teacutermica corresponde a zona 4 y se verifica lo
anteriormente expuesto en la tabla 32 cabe sentildealar que los valores de
transmitancia teacutermica se extrajeron de acuerdo a las ecuaciones de balance
teacutermico que estaacute incorporado en el software
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
Figura 31 Descripcioacuten Vivienda en estudio
Elaboracioacuten Propia - Software Revit
A continuacioacuten se muestra las dimensiones que tiene cada espacio de las
dos torres del edificio en las siguientes tablas
Tabla 31 Resumen superficies de los distintos espacios vivienda en estudio
Torre A
Lugar Superficie (119950120784) Altura (m)
Dormitorio Primario 8 24
Dormitorio Secundario 7 24
Cocina 9 24
Living - Comedor 28 24
Bantildeo 3 24
TOTAL 56
Fuente Elaboracioacuten Propia
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Tabla 32 Cumplimiento de la envolvente elementos constructivos de la vivienda en estudio
Elemento Materiales (exterior al
interior)
Espesor (m)
Transmitencia teacutermica Valor U (Wm2K)
Transmitencia teacutermica exigida Valor U (Wm2K)
Muro Exterior
Siding
Fibrocemento
0006
0672
17
Plancha OSB 0009
Entramado
madera pino 2x3
0075
Lana de vidrio 005
Caacutemara no
ventilada
(Ubicacioacuten del
PCM)
0026
Placa yeso cartoacuten 0015
Muro Interior
Placa yeso cartoacuten 0015
0677
17
Entramado
madera pino 2x2
0075
Lana de vidrio 005
Placa yeso cartoacuten 0015
Techumbre
Plancha Zincalum 0035
0316
038
Fieltro 0005
Plancha OSB 0009
Entramado madera pino 2x2
0075
Lana de Vidrio 005
Placa yeso cartoacuten 00125
Piso en contacto
con el terreno
Radier Hormigoacuten 02 17 No aplica
Fuente Elaboracioacuten Propia
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
Para integrar el PCM con la vivienda en estudio se configuro las
propiedades teacutecnicas y la ubicacioacuten optima interna del PCM al panel externo
constructivo donde se administroacute en el modelo de simulacioacuten veacutease en la Figura
313 y figura 38
321 Meacutetodo de zona en software EnergyPlus
El modelo de construccioacuten creado se utilizoacute el meacutetodo de zona donde
todas las zonas fueron modeladas con informacioacuten completa en construccioacuten
ocupacioacuten equipamiento y HVAC
Al iniciar el modelo se elige la ubicacioacuten y el tipo de anaacutelisis Despueacutes se
debe ingresar un nombre al sitio y a cada zona Ademaacutes se puede asignar varios
edificios bajo el mismo sitio cada uno con su propio nombre Una vez definido lo
anterior se genera bloque que generalmente representa un piso o nivel planta
para este estudio se genera bloque de acuerdo a la figura 32
Figura 32 Modelo de zona en casa de estudio
Fuente Elaboracioacuten Propia
La fase de zonificacioacuten separa las diferentes zonas teacutermicas Para el
modelo cada suite se considera una zona El meacutetodo de zona permite asignar
diferentes horarios operativos a cada zona Cada una de las paredes de cada
bloque se llama superficie y ventanas o puertas como sub-superficies o
aberturas La vivienda se muestra parcialmente en la Figura 33
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
47
Diego Sarabia Meacutendez
Figura 33 Zona y sub-superficie de vivienda en estudio
Fuente Elaboracioacuten Propia
El software da la posibilidad de elegir los materiales utilizados en la
construccioacuten de la vivienda a traveacutes de sus bibliotecas de materiales o pueden
ser creados por el usuario y los materiales elegidos son asignado a las partes
especificadas de la vivienda Estos pasos se repitieron en todos los pisos para
completar todo el modelo de construccioacuten
33 Datos meteoroloacutegicos
El modelo de simulacioacuten se mantuvo en base a los datos meteoroloacutegicos
con formato EPW en Energy plus se definioacute la ubicacioacuten Concepcioacuten Chile Con
el objetivo de evaluar el rendimiento teacutermico y analizar la optimizacioacuten de la
posicioacuten del PCM al muro exterior de la vivienda en estudio Las configuraciones
de los datos meteoroloacutegicos se muestran en la Figura 34
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
48
Diego Sarabia Meacutendez
Figura 34 Configuracioacuten datos meteoroloacutegico
Fuente Elaboracioacuten Propia
34 Jornadas de ocupacioacuten
Para realizar la simulacioacuten energeacutetica se deben definir una serie de
planillas de ocupacioacuten de los recintos uso de luminaria y equipos En estas
planillas de ocupacioacuten se define el ciclo horario para todos los diacuteas del antildeo
Esto se realiza con la finalidad de establecer los periodos en los que
influyen los distintos tipos de cargas internas en la vivienda
A continuacioacuten se adjunta a modo de ejemplo la figura 35 en la cual se
puede ver el menuacute de configuracioacuten de las plantillas de ocupacioacuten
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
49
Diego Sarabia Meacutendez
Figura 35 Planilla de uso horario de un recinto
Fuente Elaboracioacuten propia
35 Configuracioacuten envolvente por elemento y sistemas de climatizacioacuten
Definidos las zonas y multi zonas del modelo se deberaacute configurar los
sistemas constructivos en sus propiedades teacutermicas y dimensiones El software
automaacuteticamente genera el caacutelculo de transmitancia teacutermica anaacutelisis de
condensacioacuten y dimensioacuten en imagen por elemento Veacutease en la figura 36
Para configurar el sistema de climatizacioacuten primero se debe definir los
rangos de temperatura confort teacutermico en la pestantildea de actividades del software
Veacutease figura 37 A continuacioacuten se define el tipo de sistema de climatizacioacuten
definiendo las horas de operacioacuten tipo combustible y rendimiento del sistema
como se muestra en la figura 38
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
50
Diego Sarabia Meacutendez
Figura 36 Planilla configuracioacuten envolvente por elemento
Fuente Elaboracioacuten propia
Figura 37 Planilla configuracioacuten rango de temperatura confort teacutermico
Fuente Elaboracioacuten propia
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
51
Diego Sarabia Meacutendez
Figura 38 Planilla configuracioacuten del tipo de sistema de climatizacioacuten
Fuente Elaboracioacuten propia
36 Caracterizacioacuten PCM
En este estudio se utilizoacute placas PCM tipo orgaacutenico de parafina tiene una
relacioacuten de mezcla de n-octadecano a n-heptadecano seleccionado debido a la
eficiencia energeacutetica con temperatura cercana al confort teacutermico (12ndash26 deg C)
basado en ISO 13790 (KO Lee 2016)
Seguacuten el estado de arte existente se definioacute los tres materiales de cambio
de fase los cuales son candidatos idoacuteneos para utilizar en esta investigacioacuten
Estos materiales han sido estudiados por diversos autores con el fin de obtener
sus propiedades termofiacutesicas y usarlas en la edificacioacuten La razoacuten de utilizar estos
materiales es debido a sus propiedades teacutermicas y el que su temperatura de
fusioacuten es cercana a la temperatura de confort
Ademaacutes la vida uacutetil del PCM es de 13 antildeos seguacuten su ciclo de cambio
fase considerando 365 cambios fase anual el cual se justifica con los costos de
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
52
Diego Sarabia Meacutendez
inversioacuten al implementar esta tecnologiacutea dependiendo de la magnitud del flujo
de calor el cuaacutel se quiere operar
Las especificaciones teacutecnicas de las placas PCM y el comportamiento de
temperaturas y entalpias de operacioacuten se describen en la tabla 33 las cuales se
vinculan con el algoritmo CondFD de la ecuacioacuten (2) para evaluar su rendimiento
energeacutetico en la vivienda en estudio
361 Seleccioacuten de Materiales Cambio Fase
Tabla 33 Especificaciones teacutecnicas de PCM a utilizar
Caracteriacutesticas RT18HC
Valores Unidades Grafica entalpia y Temperatura
Temperatura de Fusioacuten
18
degC
Almacenamiento de calor
260 [kJkg]
Capacidad calor especifico
2 [kJkgK]
Densidad solido (a los 15degC)
088 [kgl]
Densidad solido (a los 25degC)
077 [kgl]
Conductividad teacutermica
(Ambas fases)
02 [W(mK)]
Expansioacuten de Volumen
125
Maacutexima temperatura operacioacuten
50 degC
Ciclo Cambio fase
5000 -
Caracteriacutesticas RT21HC
Valores Unidades Grafica entalpia y Temperatura
Temperatura de Fusioacuten
21
degC
Almacenamiento de calor
155 [kJkg]
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
Capacidad calor especifico
2 [kJkgK]
Densidad solido (a los 15degC)
088 [kgl]
Densidad solido (a los 25degC)
077 [kgl]
Conductividad teacutermica
(Ambas fases)
02 [W(mK)]
Expansioacuten de Volumen
12
Maacutexima temperatura operacioacuten
45 degC
Ciclo Cambio fase
5000 -
Caracteriacutesticas RT22HC
Valores Unidades Grafica entalpia y Temperatura
Temperatura de Fusioacuten
22
degC
Almacenamiento de calor
190 [kJkg]
Capacidad calor especifico
2 [kJkgK]
Densidad solido (a los 15degC)
076 [kgl]
Densidad solido (a los 25degC)
070 [kgl]
Conductividad teacutermica
(Ambas fases)
02 [W(mK)]
Expansioacuten de Volumen
125
Maacutexima temperatura operacioacuten
50 degC
Ciclo Cambio fase
5000 -
Fuente (Rubitherm 2020)
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
362 Configuracioacuten del PCM en EnergyPlus
De acuerdo al estudio bibliograacutefico de los materiales cambio fase para
ingresar los datos al software se debe definir las cantidades de temperatura de
operacioacuten identificar el punto de fusioacuten en las graacuteficas de entalpia y temperatura
de la tabla 33 conductividad teacutermica calor especifico densidades y espesor en
el elemento constructivo con el fin de determinar el flujo de calor de operacioacuten
de acuerdo al balance termodinaacutemico de la ecuacioacuten (2) A continuacioacuten se
adjunta a modo de ejemplo la figura 39 en la cual se puede ver el menuacute de
configuracioacuten
Figura 39 Configuracioacuten del PCM en el software
Fuente Elaboracioacuten Propia
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
363 Cotizacioacuten PCM RT21
La inversioacuten total del material cambio fase es de $1106679
correspondiente a 160 kg con transporte incluido Se observa que el costo de
transporte afecta considerablemente en su valor (Alemania)
Se realizoacute cotizacioacuten del material RT21 en la empresa alemana Rubitherm
se presenta en la figura 310
Figura 310 Cotizacioacuten del material RT21
Fuente (Rubitherm 2020)
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
37 Caracterizacioacuten Macro encapsulacioacuten
En esta seccioacuten la placa de macro encapsulacioacuten utilizada para el PCM
es de materialidad de aluminio veacutease figura 311 esto aumenta la transferencia
de calor en los PCM Son dos placas que estaacuten unidas entre siacute Se unen en dos
puntos centrados y se pegan en sus marcos Pueden ser utilizados para PCM
(orgaacutenico - inorgaacutenico) Por lo tanto se puede ofrecer un rango de temperatura
para una variedad de aplicaciones El grosor depende del volumen de llenado y
por lo tanto de la capacidad de almacenamiento Para el estudio se seleccionoacute
el modelo CSM105 Rubitherm el cual su espesor es de 15 mm y puede
almacenar 2 Kg de PCM por placa
Figura 311 Modulo Almacenamiento Macro encapsulacioacuten de aluminio
Fuente (Rubitherm 2020)
371 Cotizacioacuten Macro encapsulacioacuten
La inversioacuten total de la Macro encapsulacioacuten de aluminio modelo CSM105
Rubitherm es de $ 4326306 correspondiente a 150 unidades con transporte
incluido Se observa que el costo de transporte afecta considerablemente en su
valor (Alemania) Se realizoacute cotizacioacuten de los elementos de Macro encapsulacioacuten
de aluminio modelo CSM105 Rubitherm se presenta en la figura 312
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
Figura 312 Cotizacioacuten Macro encapsulacioacuten
Fuente (Rubitherm 2020)
38 Validacioacuten muro constructivo con PCM
De acuerdo a los estudios del estado de arte y conocimientos teacutecnicos se
validoacute el sistema constructivo propuesto del muro exterior en el cumplimiento de
resistencia al fuego de acuerdo al cataacutelogo de soluciones constructivas del
MINVU y de la Ordenanza General de Urbanismo y Construcciones (OGUC)
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
381 Cumplimiento de la OGUC y Resistencia al fuego
Dentro de las exigencias a cumplir por la OGUC se tiene la resistencia
al fuego en elementos constructivos seguacuten el tipo de recinto Para el caso del
muro de la vivienda en estudio se hace el siguiente anaacutelisis
De la tabla Ndeg34 seguacuten ldquodestino del edificiordquo ldquosuperficie edificada (m2)rdquo y
ldquonuacutemero de pisosrdquo se obtiene una clasificacioacuten (a b c y d) seguacuten corresponda
En el caso de estudio se tiene una vivienda de 1 piso por lo que el destino
es ldquoHabitacionalrdquo y por nuacutemero de pisos se establece una clasificacioacuten ldquodrdquo
Tabla 34 Clasificacioacuten de los edificios seguacuten su destino superficie edificada y
nuacutemero de pisos Destino del Edificio Superficie Edificada (m2) Nuacutemeros de Pisos
1 2 3 4 5 6 7 o mas
Habitacional Cualquiera d d c c b a a
Hoteles Sobre 5000 c b a a a a a
Sobre 1500 y hasta 5000 c b b b a a a
Sobre 500 y hasta 1500 c c b b a a a
Hasta 500 d c b b a a a
Oficinas Sobre 1500 c c b b b a a
Sobre 500 y hasta 1500 c c c b b b a
Hasta 500 d c c b b b a
Museos Sobre 1500 c c b b b a a
Sobre 500 y hasta 1500 c c c b b b a
Hasta 500 d c c b b b a
Clinica Hospitales y Lab Sobre 1000 c b b a a a a
Hasta 1000 c c b b a a a
Policlinicos Sobre 400 c c b b b b a
Hasta 400 d c c b b b a
Restaurante Sobre 500 b a a a a a a
Sobre 250 y hasta 500 c b b a a a a
Hasta 250 d c c b b a a
Locales Comerciales Sobre 500 c b b a a a a
Sobre 200 y hasta 500 c c b b a a
Hasta 200 d c b b b a a
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Bibliotecas Sobre 1500 b b a a a a a
Sobre 500 y hasta 1500 b b b a a a a
Sobre 250 y hasta 500 c b b b a a a
Hasta 250 d c b b a a a
Automotoras Cualquiera d c c b b b a
Edificio Estacionamiento Cualquiera d c c c b b a
Fuente (MINVU Soluciones constructivas acreditadas al fuego teacutermico y
acuacutestico 2020)
Para lograr obtener la resistencia al fuego necesaria se debe utilizar
ademaacutes la tabla 34 la cual utilizo como criterios la clasificacioacuten obtenida de la
tabla 35 y el tipo de elemento constructivo
Tabla 35 Resistencia al fuego para diferentes elementos de construccioacuten Elementos de Construccioacuten
Tipo (1) (2) (3) (4) (5) (6) (7) (8) (9)
A F-180 F-120 F-120 F-120 F-120 F-30 F-60 F-120 F-60
B F-150 F-120 F-90 F-90 F-90 F-15 F-30 F-90 F-60
C F-120 F-90 F-60 F-60 F-60 - F-15 F-60 F-30
D F-120 F-60 F-60 F-60 F-30 - - F-30 F-15
Fuente (MINVU Soluciones constructivas acreditadas al fuego teacutermico y
acuacutestico 2020) Simbologiacutea
Elementos verticales
(1) Muros cortafuego
(2) Muros zona vertical de seguridad y caja de escalera
(3) Muros caja de ascensores
(4) Muros divisorios entre unidades (hasta la cubierta)
(5) Elementos soportantes verticales
(6) Muros no soportantes y tabiques
Elementos verticales y horizontales
(7) Escaleras
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
Elementos Horizontales
(8) Elementos soportantes horizontales
(9) Techumbre incluido cielo falso
Para el caso de los muros que dan al exterior de la vivienda en estudio se
considera en la categoriacutea (5) y seguacuten la clasificacioacuten obtenida de la tabla 35 (d)
se tiene un grado de resistencia al fuego F-30
Para cumplir con esta exigencia se utiliza una solucioacuten del cataacutelogo de
soluciones constructivas del MINVU la cual se presenta a continuacioacuten
Tabla 36 Tabique perimetral estructura madera en vivienda en estudio
A233014 Tabique Estructura Madera Volcanita 15 mm RF Placa
OSB 9 mm Siding Volcan 6 mm Aislanglas R122 50 mm
Elemento estaacute formado por una estructura de madera hecha con listones de pino
radiata de 2rdquo x 3rdquo en bruto Consta de 5 pie-derechos distanciados entre ejes
cada 06 m dos cadenetas distanciadas entre ejes cada 08 m una solera inferior
y otra superior Esta estructuracioacuten esta forrada por una de sus caras con una
plancha de yeso-cartoacuten ldquoVolcanita RFrdquo de 15 mm de espesor La otra cara esta
forrada con una placa de madera OSB de 9 mm de espesor y como terminacioacuten
en esta cara lleva unas fajas horizontales de fibrocemento ldquoSiding Volcanrdquo tipo
tinglado de 190 mm de ancho y 6 mm de espesor Todo el conjunto esta
atornillado a la estructura de madera Esta conformacioacuten deja espacios libres en
el interior del panel estaacuten rellenos con una manta de lana de vidrio tipo rollo libre
R122 de 50 mm de espesor de densidad media aparente de 14 kgm3 Las
dimensiones para el ensayo fue 22 de ancho x 24 de alto y 105 mm de espesor
INSTITUCION Ndeg Informe Lab Fecha Resistencia Inscripcioacuten
Volcaacuten SA 374721 IDIEM 26-06-96 F-30 2015
Fuente (MINVU Soluciones constructivas acreditadas al fuego teacutermico y
acuacutestico 2020)
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
Otra de las exigencias por parte de la OGUC es el cumplimiento de la
reglamentacioacuten teacutermica mostrado en la tabla 32 para esto se compara las
transmitancias teacutermicas exigidas con las envolventes de los elementos
constructivos de la vivienda en estudio Para el caso del muro donde se
incorporaraacute el PCM se seleccionoacute de acuerdo al listado de soluciones
constructivas del MINVU para validar la resistencia al fuego En la figura 313 se
visualiza las componentes de la envolvente del muro con PCM
Figura 313 Sistema Constructivo Muro exterior con PCM en vivienda estudio
Fuente Elaboracioacuten Propia
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
CAPITULO IV RESULTADOS Y DISCUSIOacuteN
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
En este segmento se evaluoacute el comportamiento energeacutetico de los
materiales cambio fase mediante el software Energy Plus Los materiales cambio
fase se produce dentro de placas de macro encapsulacioacuten de aluminio al interior
de los muros exteriores
Por lo tanto se observoacute el aporte energeacutetico de los materiales cambio fase
en un sistema activo de calefaccioacuten optimizando los sistemas constructivos en
la vivienda en estudio y dar respuesta a su aplicacioacuten en acondicionamiento
ambiental
41 Comportamiento Energeacuteticos de los materiales cambio fase
A continuacioacuten se comparoacute el comportamiento energeacutetico de dos sistemas
de climatizacioacuten con el aporte energeacutetico pasivo de los distintos materiales
cambio fase en una vivienda en estudio
411 Rendimiento energeacutetico de calefaccioacuten con y sin PCM
Para evaluar el comportamiento energeacutetico se definioacute la temperatura de
fusioacuten de los PCM en el rango de 18 a 22degC el aporte energeacutetico de los PCM
ayudo a mantener constante la temperatura confort de 21degC en la vivienda y
reducir los consumos energeacuteticos del sistema activo para este estudio se
escogioacute dos sistemas de climatizacioacuten caso 1 calefaccioacuten a lentildea con un η=07 y
caso 2 Climatizacioacuten por bomba de calor η=27 esta seleccioacuten se debe a que el
sistema de calefaccioacuten a lentildea es el maacutes usado en la zona genera una alta
contaminacioacuten ambiental por su combustioacuten en material particulado es el
combustible maacutes econoacutemico por unidad de energiacutea y su inversioacuten es accesible
en cambio los equipos de bomba calor tienen un mayor rendimiento energeacutetico
tiene menos impacto al medio ambiente y su inversioacuten es costosa
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
La figura 41 (a) muestra las potencias maacuteximas de disentildeo en
climatizacioacuten comparando la liacutenea base con la implementacioacuten de materiales
PCM en vivienda en estudio ubicado en Concepcioacuten Chile A traveacutes de este
anaacutelisis se identificoacute una disminucioacuten en su potencia de disentildeo de 319 (de
263 kW a un 179 kW) con respecto al caso base
Figura 41 (a) Potencia maacutexima disentildeo con y sin PCM en vivienda estudio
Fuente Elaboracioacuten Propia
En la figura 41 (b) y (c) se realizoacute la comparacioacuten de distintos tipos de
materiales PCM con un rango de temperatura de fusioacuten entre 18 degC a 22degC para
determinar cuaacutel es maacutes eficiente en funcioacuten de las variables de disentildeo
emplazamientos y propiedades teacutermicas
Para el primer caso se evaluoacute el sistema de calefaccioacuten a lentildea y el rol
clave de estos materiales PCM es reducir el consumo energeacutetico y el kgCO2
generado por la combustioacuten En los resultados se visualizoacute que el material cambio
fase optimo corresponde al PCM 22HC arrojando una reduccioacuten del consumo
energeacutetico de 341 (de 3694 kWh a un 2434 kWh) en comparacioacuten al caso base
CocinaDormitorioSecundario
DormitorioPrimario
Living-Comedor
Bantildeo
Sin PCM 03 037 047 129 02
Con PCM 017 027 033 087 015
0
02
04
06
08
1
12
14
Dem
ada
En
erge
tica
(k
W)
Potencia Maxima de Disentildeo
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
65
Diego Sarabia Meacutendez
Para el segundo caso se evaluoacute un sistema de bomba de calor multisplit
al igual que en el caso anterior el material optimo corresponde al PCM 22HC se
observoacute una disminucioacuten de consumo energeacutetico de un 344 (de 688 kWh a un
451 kWh) en comparacioacuten al caso base
Para ambos casos se observoacute una notable reduccioacuten de los consumos
energeacuteticos en estacioacuten friacutea
Figura 41 (b) Caso 1 - Consumo energeacutetico en calefaccioacuten Lentildea con y sin
PCM en vivienda estudio
Fuente Elaboracioacuten Propia
Ene Feb Mar Abr May Jun Jul Ago Sept Oct Nov Dic
Sin PCM 75 79 138 267 477 604 626 498 408 271 147 104
PCM 18 37 34 73 188 424 579 602 440 347 185 85 60
PCM 21 31 27 64 167 397 547 570 405 313 161 71 53
PCM 22 13 11 39 138 354 506 528 357 275 130 49 34
0
200
400
600
800
1000
Co
nsu
mo
Co
mb
ust
ible
(k
Wh
)
Consumo Combustible Lentildea Mensual
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Figura 41 (c) Caso 2 - Consumo energeacutetico Bomba de calor con y sin PCM en
vivienda estudio
Fuente Elaboracioacuten Propia
Se identificoacute que la temperatura de fusioacuten maacutes baja de los PCM no es
viable en la optimizacioacuten del sistema pasivo en climatizacioacuten podriacutea ser explicado
por las variables temperatura exteriores dependiendo de las condiciones
climaacuteticas por su emplazamiento Por ejemplo de acuerdo con las cargas
maacuteximas de calefaccioacuten se debe a que la energiacutea en invierno aumento
estableciendo las temperaturas de confort teacutermico esta es una variable de
seleccioacuten del PCM que serviraacute para optimizar el disentildeo en funcioacuten del confort
teacutermico disminuyendo demanda energeacutetica perdidas caloriacuteficas y consumos
energeacuteticos de sistemas de calefaccioacuten activos
Seguacuten el estado de arte otro punto importante a comentar es tener en
cuenta que las curvas de entalpia y temperatura tanto para refrigeracioacuten y
calefaccioacuten deben ser lo maacutes cercana posible de lo contrario se produciriacutea una
Ene Feb Mar Abr May Jun Jul Ago Sept Oct Nov Dic
Sin PCM 14 15 26 50 89 112 116 92 78 50 27 19
PCM 18 7 6 14 35 79 107 112 82 64 34 16 11
PCM 21 57 5 12 31 74 101 106 75 58 30 13 10
PCM 22 23 2 72 256 66 936 976 662 511 24 9 63
0
20
40
60
80
100
120
Co
nsu
mo
Co
mb
ust
ible
(k
Wh
)Consumo Combustible Bomba de calor Mensual
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
67
Diego Sarabia Meacutendez
histeacuteresis o sub enfriamiento y afectariacutea considerablemente el rendimiento del
PCM en su aplicacioacuten
Para la implementacioacuten de sistemas activos sustentables en climatizacioacuten
se demuestra en el estudio que el aporte energeacutetico de los PCM es mantener la
temperatura constante dentro de los espacios interiores y ayudan tambieacuten a bajar
considerablemente los consumos energeacuteticos y es un aporte al medio ambiente
Para sistemas pasivos la eficiencia en los PCM en los muros exteriores
podriacutea incrementarse sugiriendo que haya acristalamiento a base de muros
cortina durante el diacutea lleva al PCM al proceso de cambio de fase de manera
estable en el tiempo debido a su almacenamiento teacutermico (F Ascione RF De
Masi F de Rossi S Ruggiero amp GP Vanoli 2016)
Ademaacutes la disminucioacuten de un 319 en potencia maacutexima de disentildeo para
equipos de climatizacioacuten arrojado en este estudio y un promedio de 33 en
reduccioacuten en consumo energeacutetico en los dos casos de climatizacioacuten propuestos
se puede inferir que los materiales cambio fase es capaz de contribuir a eficiencia
energeacutetica
412 Inversioacuten inicial y costos operativos en sistemas de calefaccioacuten con y sin PCM
Se hizo un anaacutelisis de los principales costos asociados a la adquisicioacuten de
los equipos y operacioacuten de eacutestos No se consideraraacute valor residual o de
salvamiento Para poder comparar la vida uacutetil a usar seraacute de 10 antildeos
Al obtener los valores de consumos energeacuteticos en las simulaciones de
los casos propuestos se visualiza una aproximacioacuten en demostrar el beneficio
econoacutemico que aporta los PCM a los sistemas activos Vease en figura 42
En el caso 1 sistema de calefaccioacuten a lentildea se observoacute una disminucioacuten
en los costos de operacioacuten anual de un 341 (de $88656 a un $58416)
($ 24 por kWh) (BES 2017) y en el caso 2 sistema de climatizacioacuten por bomba
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
68
Diego Sarabia Meacutendez
calor se observoacute una disminucioacuten en los costos de operacioacuten anual de un 344
(de $72928 a un $47795) ($ 106 por kWh) (BES 2017)
Figura 42 Inversioacuten inicial y costos operativos sistema climatizacioacuten con y sin
PCM en vivienda estudio
Fuente Elaboracioacuten Propia
42 Propuesta de aplicacioacuten PCM a caso base como sistema de actualizacioacuten
Seguacuten los resultados del comportamiento energeacutetico de la vivienda en
estudio con y sin PCM Se identificoacute un enfoque diferente e innovador para
sistemas pasivos de acondicionamiento ambiental o el aporte energeacutetico
significativo de los PCM a los sistemas activos para mantener su temperatura
constante en su operacioacuten
Una correcta ubicacioacuten del PCM a los muros exteriores de una vivienda en
estudio mostro significativamente un ahorro de energiacutea con respecto al caso
base esto se debe a la colocacioacuten del PCM en la particioacuten interna en los muros
exteriores emplazamiento de la vivienda tipo de encapsulacioacuten y orientacioacuten de
los muros con respecto al sol
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
Sin PCM PCM 22HC Inversion
Mil
es d
e p
eso
sInversion inicial y costos operativos en sistema
climatizacion
Caso 1 Sistema Calefaccion Lentildea Caso 2 Sistemas Bomba de Calor
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El tipo de encapsulacioacuten de acuerdo al panel constructivo mostro que debe
ser macro encapsulacioacuten con materialidad de aluminio para aumentar la
conductividad teacutermica de los materiales cambio fase que era una de sus
desventajas teacutecnicas
A traveacutes de este anaacutelisis se identificoacute que material de cambio de fase se
debe seleccionar de acuerdo a la aplicacioacuten pasiva en vivienda en estudio
considerando variables de seleccioacuten como cineacuteticas fiacutesicas quiacutemicas teacutermicas
y econoacutemicas
Finalmente se observoacute que es posible maximizar la eficiencia de la
energiacutea en mantener la temperatura constante en los espacios interiores con el
aporte energeacutetico de los sistemas pasivos cuando se usa materiales cambio fase
en los muros exteriores de la vivienda en estudio Ademaacutes el PCM con
temperatura de fusioacuten cercana a la temperatura confort logra un mayor
rendimiento energeacutetico seguacuten su emplazamiento y reduce considerablemente los
costos de operacioacuten de un sistema climatizacioacuten activo aportaacutendole energiacutea
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teacutermica de una viviendardquo
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CONCLUSIONES
El trabajo reciente propone un anaacutelisis de optimizacioacuten del PCM a una
vivienda en estudio como una aplicacioacuten de actualizacioacuten a sistemas pasivos y
se evaluoacute el comportamiento energeacutetico de dos sistemas activos de climatizacioacuten
mediante el uso del software EnergyPlus
En este estudio se describe la seleccioacuten de materiales de cambio fase a
utilizar la encapsulacioacuten adecuada en base a la aplicacioacuten y propiedades de
disentildeo
En el anaacutelisis del comportamiento energeacutetico de la vivienda en estudio se
observoacute que el PCM adecuado seguacuten la temperatura de fusioacuten estaacute en el rango
de 18 a 22 degC cercano a la temperatura de confort teacutermico Para este estudio se
escogioacute el PCM 22HC ya que su comportamiento es ideal para la vivienda en
estudio arrojando un 319 (de 263 kW a un 179 kW) de reduccioacuten de
potencias maacuteximas de disentildeo en climatizacioacuten De acuerdo al PCM escogido se
analizoacute el comportamiento del consumo energeacutetico en dos sistemas de
climatizacioacuten Caso 1 Sistema calefaccioacuten a lentildea mostro una reduccioacuten del
consumo energeacutetico de 341 (de 3694 kWh a un 2434 kWh) Para el segundo
caso se evaluoacute un sistema de bomba de calor multisplit al igual que en el caso
anterior el material optimo corresponde al PCM 22HC se observa una
disminucioacuten de consumo energeacutetico de un 344 (de 688 kWh a un 451 kWh) en
comparacioacuten al caso base lo que implica una notable reduccioacuten de los consumos
energeacuteticos en la estacioacuten friacutea Ademaacutes junto con los valores de consumo
energeacutetico se evaluoacute los costos de operacioacuten anual arrojando una disminucioacuten
promedio de 34 debido al aporte de los PCM
En general estos resultados sostienen firmemente que es posible mejorar
la eficiencia del ahorro energeacutetico cuando los PCM se instala en los muros
exteriores maximizando los ahorros energeacuteticos Por lo tanto para lograr la
optimizacioacuten de la envolvente de la vivienda con aplicacioacuten PCM la temperatura
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de fusioacuten fue de 22 deg C y el macro encapsulamiento es de material de aluminio
mejorando su transmitancia teacutermica del flujo de calor en los paneles
constructivos dando como resultado una adecuada actualizacioacuten a la aplicacioacuten
y a la instalacioacuten de los PCM a la vivienda en estudio ubicada en Concepcioacuten
Chile
Los costos de implementacioacuten en la tecnologiacutea pasiva como los PCM tiene
un elevado valor debido al costo del transporte (Alemania) se podriacutea justificar
encargando por mayor estos insumos y aplicarlo a un lote de viviendas
Es importante aplicar el PCM optimizado considerando el enfoque y
variables de disentildeo como la condicioacuten climaacutetica temperatura de fusioacuten de PCM
encapsulamiento y irradiacioacuten solar
La implementacioacuten de esta tecnologiacutea demuestra que aporta en la
reduccioacuten de material particulado en zonas criacuteticas en contaminacioacuten y las
emisiones de CO2 aportando al medio ambiente
Se deberaacute tener en cuenta que las curvas de entalpia y temperatura de los
PCM tanto para refrigeracioacuten y calefaccioacuten deben ser lo maacutes cercana posible de
lo contrario se produciriacutea una histeacuteresis o subenfriamiento y afectariacutea
considerablemente el rendimiento del PCM en su aplicacioacuten
Como investigacioacuten adicional queda por explorar la optimizacioacuten de PCM
aplicado a paredes exteriores con persianas de acristalamiento o invernaderos
adosados al poseer mayor captacioacuten de energiacutea solar tendraacute un mayor
almacenamiento energeacutetico y retraso teacutermico en los muros aplicado con PCM y
obtener una segmentacioacuten de los datos climaacuteticos por zonas para investigar el
comportamiento energeacutetico en aplicaciones pasivas
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These data demonstrated a significant reduction in energy and contribute
to energy efficiency It can be inferred that PCM contributes significantly to the
environment in releasing less particulate matter reducing the consumption of
fossil fuels and reducing the CO2 released into the atmosphere
Key words Phase change materials Sustainability Thermal simulation
construction Energy efficiency High thermal inertia housing
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IacuteNDICE DE CONTENIDOS
AGRADECIMIENTOS 1
RESUMEN 2
ABSTRACT 4
IacuteNDICE DE CONTENIDOS 6
INDICE DE FIGURAS 9
INDICE DE TABLAS 11
INTRODUCCION 12
CAPITULO I ENUNCIADO DE LA INVESTIGACIOacuteN 15
11 Planteamiento del problema 16
12 Preguntas de investigacioacuten 19
13 Hipoacutetesis 19
14 Objetivos 20
142 Objetivos especiacuteficos 20
CAPITULO II MARCO TEOacuteRICO 21
21 Marco Teoacuterico 22
22 Materiales con cambio de fase (PCM) 22
221 Funcionamiento 23
222 Propiedades 24
223 Almacenamiento de energiacutea teacutermica 25
224 Clasificacioacuten 26
2241 PCM inorgaacutenicos sales hidratadas 27
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2242 PCM orgaacutenicos parafinas aacutecidos grasos y mezclas orgaacutenicas 29
22421 Parafinas 31
22422 Aacutecidos Grasos 31
22423 Mezclas euteacutecticas 32
23 Criterios de seleccioacuten de los Materiales con Cambio se Fase 33
24 Vida uacutetil del material cambio fase 34
25 Aplicacioacuten en la construccioacuten 35
26 Encapsulacioacuten 37
261 Microcaacutepsulas 38
262 Macrocaacutepsulas 39
CAPITULO III MEacuteTODOS Y METODOLOGIacuteA 40
31 Herramienta de simulacioacuten de energiacutea 41
32 Descripcioacuten Vivienda en estudio 43
321 Meacutetodo de zona en software EnergyPlus 46
33 Datos meteoroloacutegicos 47
34 Jornadas de ocupacioacuten 48
35 Configuracioacuten envolvente por elemento y sistemas de climatizacioacuten 49
36 Caracterizacioacuten PCM 51
361 Seleccioacuten de Materiales Cambio Fase 52
362 Configuracioacuten del PCM en EnergyPlus 54
363 Cotizacioacuten PCM RT21 55
37 Caracterizacioacuten Macro encapsulacioacuten 56
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371 Cotizacioacuten Macro encapsulacioacuten 56
38 Validacioacuten muro constructivo con PCM 57
381 Cumplimiento de la OGUC y Resistencia al fuego 58
CAPITULO IV RESULTADOS Y DISCUSIOacuteN 62
41 Comportamiento Energeacuteticos de los materiales cambio fase 63
411 Rendimiento energeacutetico de calefaccioacuten con y sin PCM 63
412 Inversioacuten inicial y costos operativos en sistemas de calefaccioacuten con y
sin PCM 67
42 Propuesta de aplicacioacuten PCM a caso base como sistema de
actualizacioacuten 68
CONCLUSIONES 70
REFERENCIAS 72
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INDICE DE FIGURAS
Figura 21 Diagrama de proceso de cambio de fase Hielo ndash Vapor 23
Figura 22 Clasificacioacuten de los Materiales Cambio Fase 26
Figura 23 Estabilizacioacuten de la temperatura interior de un edificio por el efecto
de la inercia teacutermica 36
Figura 24 Espesor requerido de distintos materiales Vs Energiacutea termina 36
Figura 25 Microcaacutepsulas 38
Figura 26 Caacutepsulas de macro PCM (Contenedor plano Esfera Placas de
barra doble) 40
Figura 31 Descripcioacuten Vivienda en estudio 44
Figura 32 Modelo de zona en casa de estudio 46
Figura 33 Zona y sub-superficie de vivienda en estudio 47
Figura 34 Configuracioacuten datos meteoroloacutegico 48
Figura 35 Planilla de uso horario de un recinto 49
Figura 36 Planilla configuracioacuten envolvente por elemento 50
Figura 37 Planilla configuracioacuten rango de temperatura confort teacutermico 51
Figura 38 Planilla configuracioacuten del tipo de sistema de climatizacioacuten 51
Figura 39 Configuracioacuten del PCM en el software 54
Figura 310 Cotizacioacuten del material RT21 55
Figura 311 Modulo Almacenamiento Macro encapsulacioacuten 56
Figura 312 Cotizacioacuten Macro encapsulacioacuten 57
Figura 313 Sistema Constructivo Muro exterior con PCM en vivienda estudio
61
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Figura 41 (a) Potencia maacutexima disentildeo con y sin PCM en vivienda estudio 64
Figura 41 (b) Caso 1 - Consumo energeacutetico en calefaccioacuten Lentildea con y sin
PCM en vivienda estudio 65
Figura 41 (c) Caso 2 - Consumo energeacutetico Bomba de calor con y sin PCM
en vivienda estudio 66
Figura 42 Inversioacuten inicial y costos operativos sistema climatizacioacuten con y sin
PCM en vivienda estudio 68
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INDICE DE TABLAS
Tabla 21 Ventajas e inconvenientes de los PCM inorgaacutenicos 28
Tabla 22 Temperatura de fusioacuten de algunas sales hidratadas 29
Tabla 23 Ventajas e inconvenientes de los PCM orgaacutenicos 30
Tabla 24 Temperatura de fusioacuten de algunas parafinas 31
Tabla 25 Temperatura de fusioacuten de algunos aacutecidos grasos 32
Tabla 26 Clasificacioacuten de los PCMs 32
Tabla 27 Ventajas e inconvenientes de las microcapsulas 38
Tabla 28 Ventajas e inconvenientes de las Macrocaacutepsulas 39
Tabla 31 Resumen superficies de los distintos espacios vivienda en estudio
44
Tabla 32 Cumplimiento de la envolvente elementos constructivos de la
vivienda en estudio 44
Tabla 33 Especificaciones teacutecnicas de PCM a utilizar 52
Tabla 34 Clasificacioacuten de los edificios seguacuten su destino superficie edificada y
nuacutemero de pisos 58
Tabla 35 Resistencia al fuego para diferentes elementos de construccioacuten 59
Tabla 36 Tabique perimetral estructura madera en vivienda en estudio 60
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INTRODUCCION
Debido al avance de la ciencia y la tecnologiacutea la calidad de vida y los
sistemas de produccioacuten en la industria han mejorado lo que ha aumentado el
consumo mundial de energiacutea en paiacuteses industrializados y las economiacuteas
emergentes Este aumento en el consumo de energiacutea tiene efectos nocivos sobre
el medio ambiente como el aumento de las emisiones de gases a la atmoacutesfera
entre otros Por lo tanto los paiacuteses estaacuten promoviendo cada vez maacutes nuevas
poliacuteticas energeacuteticas y promoviendo dos tipos de acciones para reducir las
emisiones entre otras aumentar la proporcioacuten de energiacutea renovable y promover
medidas de ahorro y eficiencia energeacutetica Debido a las crecientes
preocupaciones sobre el consumo de energiacutea se necesita urgentemente maacutes
investigacioacuten
Entre las medidas de eficiencia energeacutetica surge la necesidad de estudiar
el uso de energiacutea solar a traveacutes de la aplicacioacuten de materiales de cambio de fase
(PCM seguacuten sus siglas en ingleacutes Phase Change Materials) Estudios recientes
sobre materiales de cambio de fase han demostrado que hay varios aspectos
para mejorar en la aplicacioacuten y caracterizacioacuten de estos materiales (Anisur
2013)
Actualmente el sector de la construccioacuten contribuye considerablemente al
consumo total de energiacutea y las emisiones de gases de efecto invernadero a la
atmoacutesfera Los edificios consumen maacutes del 40 de la energiacutea primaria del
mundo que es responsable del 30 de las emisiones de gases de efecto
invernadero (Thorpe 2011)
A nivel local el sector residencial es responsable de las altas demandas
energeacuteticas equivalente a 23 del consumo energeacutetico nivel paiacutes Del parque
habitacional existente en Chile 75 fue construido sin consideraciones teacutermicas
y de eficiencia energeacutetica dicha situacioacuten provoca que el usuario asuma el costo
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
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Diego Sarabia Meacutendez
del consumo energeacutetico en calefaccioacuten y refrigeracioacuten para mantener la vivienda
en zona confort (Wegertseder 2015)
Tradicionalmente el consumo de energiacutea se reduce mediante el uso de
aislamiento teacutermico de alta calidad en la envolvente de un edificio para reducir la
transferencia de calor entre el interior y exterior (Zhou D Tian Y Qu Y amp
Chen Y K 2016) Un aumento en la eficiencia de los sistemas de calefaccioacuten
ventilacioacuten y aire acondicionado (HVAC) tambieacuten ha sido responsable de una
reduccioacuten en el consumo de energiacutea sin embargo las mejoras en la eficiencia
energeacutetica no deben limitarse a estos enfoques
Un estudio de investigacioacuten describioacute que el aumento de la inercia teacutermica
del edificio reduce la cantidad de energiacutea utilizada para calefaccioacuten y refrigeracioacuten
(Ling H Chen C Qin H Wei S Lin J Li N) ya que reduce las
fluctuaciones en la temperatura interior ayudando a mantener el espacio interno
dentro del rango de confort teacutermico y reduciendo la necesidad de utilizar sistemas
de aire acondicionado
El almacenamiento de energiacutea se puede implementar mediante calor
sensible aumentando y disminuyendo la temperatura de los recubrimientos de
edificios o mediante calor latente Con la inclusioacuten de materiales de cambio de
fase conduce a una mayor densidad de energiacutea teacutermica Los materiales de
cambio de fase estaacuten asociados con el almacenamiento de calor latente (LHS)
con su principal ventaja de tener una alta densidad de almacenamiento a
temperatura constante Por lo tanto los materiales de cambio de fase han
demostrado que su almacenamiento de energiacutea teacutermica latente se puede utilizar
para calentar y enfriar a sistemas de construccioacuten pasivos o activos (B Zalba J
Marin L Cabeza y H Mehling 2003)
Investigaciones maacutes recientes han estudiado sus propiedades fiacutesicas
quiacutemicas cineacuteticas y especialmente teacutermicas para seleccionar el material de
cambio de fase maacutes adecuado para la presente investigacioacuten (Ramiacuterez A
Santos A amp Gonzaacutelez N 2012)
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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El intereacutes sostenido en comprender la importancia de los materiales de
cambio fase llevoacute a investigar el disentildeo del elemento constructivo con los PCM
incorporados para reducir la demanda energeacutetica de la vivienda en estudio y
contribuir a mejoras de condiciones de habitualidad Aquiacute se utilizoacute la
herramienta simulacioacuten Energy Plus para evaluar el rendimiento teacutermico de una
vivienda en estudio ubicada en la ciudad de Concepcioacuten de la regioacuten del Biacuteo-Biacuteo
Chile
En este estudio se demostroacute que es posible maximizar la eficiencia del
ahorro de energiacutea en sistemas activos de climatizacioacuten al optimizar el PCM
aplicado a las paredes exteriores Se identificoacute que los materiales de cambio de
fase son una contribucioacuten a la implementacioacuten del acondicionamiento pasivo
debido a su gran almacenamiento energeacutetico
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
CAPITULO I ENUNCIADO DE LA INVESTIGACIOacuteN
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
11 Planteamiento del problema
En la actualidad las necesidades energeacuteticas a nivel mundial han
aumentado de manera significativa por distintas razones Hoy en diacutea los edificios
consumen maacutes del 40 de la energiacutea primaria del mundo que son responsables
del 30 de las emisiones de gases de efecto invernadero (Thorpe 2011)
A nivel local el sector residencial es responsable de las altas demandas
energeacuteticas equivalente a 23 del consumo energeacutetico nivel paiacutes Del parque
habitacional existente en Chile 75 fue construido sin consideraciones teacutermicas
y de eficiencia energeacutetica dicha situacioacuten provoca que el usuario asuma el costo
del consumo energeacutetico para mantener la vivienda en zona confort (Wegertseder
2015)
Se estima que el sector de la construccioacuten es el responsable de generar
el 33 del total de emisiones de gases de efecto invernadero (MINVU 2018)
A traveacutes de un estudio realizado el antildeo 2019 por la Caacutemara Chilena de
la Construccioacuten sobre los usos de la energiacutea en el sector residencial declara que
el 53 del consumo total de la vivienda chilena es destinado a calefaccioacuten (CDT
2019)
Una forma eficiente de reducir el consumo de energiacutea para calefaccioacuten o
refrigeracioacuten en los espacios es aumentar la inercia teacutermica de un edificio De
esta manera las temperaturas interiores son menos sensibles a las variaciones
de la temperatura exterior y se requiere menos energiacutea para mantenerlas en el
rango de confort teacutermico Un edificio con una estructura de marco de concreto
tendraacute una mayor inercia teacutermica que un edificio con una estructura de marco de
acero o madera (Soares N Costa J J Gaspar A R amp Santos P 2013) Una
forma de aumentar la inercia teacutermica de un edificio es utilizar el almacenamiento
de calor latente (LHS) que es la energiacutea que almacena un material cuando sufre
un cambio de fase (Akeiber H Nejat P Majid M Z A Wahid M A
Jomehzadeh F Zeynali Famileh IZaki S A 2016)
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
El material de cambio de fase (PCM) es un tipo de material que
experimenta un cambio de fase en este caso de liacutequido a soacutelido a una
temperatura dentro del rango de confort teacutermico Este tipo de material tiene la
capacidad de almacenar grandes cantidades de energiacutea en comparacioacuten con los
materiales de construccioacuten tradicionales que solo almacenan calor sensible Por
ejemplo una pared que contiene PCM con 25 mm de espesor almacena
aproximadamente la misma energiacutea que una pared de concreto con 420 mm de
espesor (Al-Saadi S N amp Zhai Z 2013) Los PCM tienen un gran potencial
para aumentar la inercia teacutermica de un edificio debido a su gran LHS por lo tanto
son especialmente uacutetiles en edificios de construccioacuten livianas en seco como
estructuras reticulares en madera o acero galvanizados (Marin P Saffari M de
Gracia A Zhu X Farid M M Cabeza L F amp Ushak S 2016) Esto permite
que el edificio tenga menor peso un aacuterea uacutetil mayor y auacuten mantenga una alta
inercia teacutermica
Cuando los PCM cambian su estado de liacutequido a soacutelido liberan calor
latente y cuando cambian de soacutelido a liacutequido absorben calor latente Cuando este
proceso ocurre a una temperatura entre 19-27 degC el material contribuye a
aumentar el confort teacutermico porque ayuda a mantener la temperatura interna
dentro de este rango Durante el diacutea cuando hay demasiadas ganancias de
radiacioacuten solar este material cambia su fase de soacutelido a liacutequido absorbiendo
calor y evitando un aumento significativo de la temperatura interior Por la noche
cuando la temperatura exterior baja el material cambia su fase de liacutequido a
soacutelido liberando calor y evitando una gran disipacioacuten de energiacutea en el interior de
la vivienda (Jamil H Alam M Sanjayan J amp Wilson J 2017)
Durante el verano puede ocurrir un sobrecalentamiento en el muro y
hacer que se use un PCM que se derrita a altas temperaturas (alrededor de
26 degC) ya que evitaraacute que la temperatura de una habitacioacuten elevaacutendose por
encima del rango de confort teacutermico Si el objetivo es la estabilizacioacuten de la
temperatura interior en la zona de confort un PCM que se derrita a 23 degC deberiacutea
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
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ser la mejor opcioacuten En el invierno puede ser necesario evitar que la temperatura
de una habitacioacuten baje por debajo del rango de confort teacutermico y en este caso
se recomienda un PCM que solidifique alrededor de 21 degC (Soares N Gaspar
A R Santos P amp Costa J 2014)
Esta tecnologiacutea no solo tiene el potencial de ahorrar cantidades
considerables de energiacutea y emisiones de CO2 sino que tambieacuten se puede utilizar
para aprovechar los precios pico de electricidad utilizando las unidades de aire
acondicionado cuando hay una menor demanda en la red eleacutectrica Por ejemplo
en invierno la unidad de aire acondicionado (AC) podriacutea funcionar durante la
noche produciendo calor que seriacutea absorbido por el tablero PCM y luego liberado
por eacutel durante el diacutea cuando los precios de la electricidad son mucho maacutes altos
(Devaux P amp Farid M 2017) Esto tambieacuten como la ventaja de evitar el ruido y
las corrientes de aire causadas por las unidades de CA durante las horas de
trabajo de una oficina
Aunque esta tecnologiacutea tiene un gran potencial en almacenar energiacutea
con respecto a otros materiales existe el problema de la baja transferencia de
calor porque estos materiales generalmente tienen baja conductividad teacutermica lo
que hace que la absorcioacuten y liberacioacuten de calor por parte del PCM sea mucho
maacutes difiacutecil (Fan L amp Khodadadi J M 2011)
Para aprovechar la gran capacidad de almacenamiento de calor latente
la temperatura de una zona debe estar cerca de la temperatura de cambio de
fase de lo contrario un PCM solo almacena calor sensible que es insignificante
en comparacioacuten al calor latente (Chwieduk 2013)
Investigadores concluyen sobre acondicionamiento teacutermico en
envolventes de viviendas utilizando materiales de cambio de fase que la
implementacioacuten adecuada de los PCM en una edificacioacuten puede un 35 reducir
el consumo energeacutetico y por lo tanto es posible usar equipos de
acondicionamiento teacutermico de menor potencia e incluso prescindir de ellos (Bello
R E Muntildeoz M M Vasco C 2015)
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Diego Sarabia Meacutendez
En el desarrollo de aplicaciones para los PCM un investigador disentildeoacute un
muro con material de cambio de fase y para probar su funcionamiento utilizoacute dos
habitaciones ideacutenticas En la primera habitacioacuten los muros teniacutean un enlucido de
yeso normal y en la segunda habitacioacuten el muro poseiacutea una placa de yeso
revestido con micro encapsulacioacuten de PCM (50 butil estearato y 48 palmitato
de butilo) Resultoacute que la habitacioacuten con material cambio de fase una reduccioacuten
energeacutetica de 22 (Scalat S Banu D Hawes D Paris J Haghighata F
Feldman D 1996)
Los investigadores a nivel mundial han creado estrategias para
solucionar el consumo energeacutetico En Chile auacuten no se analiza en forma
sistemaacutetica considerando que seriacutea de gran ayuda para disminuir el consumo
energeacutetico residencial
Por todo lo anteriormente mencionado se establece que esta
investigacioacuten estaraacute orientada al estudio de materiales con cambio de fase
simulando su comportamiento teacutermico de una vivienda en estudio ubicada en la
ciudad de Concepcioacuten de la regioacuten del Biacuteo-Biacuteo utilizando el software Energy Plus
12 Preguntas de investigacioacuten
iquestEs posible disminuir la demanda energeacutetica de una vivienda en estudio
incorporando materiales con cambio de fase
iquestQueacute material PCM es conveniente utilizar en los muros de la vivienda en
estudio
iquestQueacute comportamiento tendraacuten los PCM en la simulacioacuten
13 Hipoacutetesis
Se puede mejorar la habitabilidad y reducir un 30 la demanda energeacutetica
de una vivienda en estudio en la ciudad de Concepcioacuten mejorando el
almacenamiento teacutermico de sus muros incorporando material con cambio de fase
(PCM)
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14 Objetivos
141 Objetivo general
Proponer una metodologiacutea de evaluacioacuten en funcioacuten de la realidad local
que permitiraacute analizar la potencialidad en aplicar los materiales cambio de fase
en las construcciones chilenas contribuyendo a mejorar las condiciones de
habitabilidad
142 Objetivos especiacuteficos
Identificar materiales con cambio de fase (PCM) utilizados como estrategia
de calefaccioacuten pasiva en edificacioacuten Con la validacioacuten de todos los
reglamentos en Chile
Definir el sistema constructivo del muro exterior en cuanto a la ubicacioacuten
del PCM
Definir materiales con cambio de fase en relacioacuten de sus propiedades
teacutermicas para realizar simulacioacuten energeacutetica
Definir metodologiacutea de caacutelculo y estimar ahorros energeacuteticos para la zona
en funcioacuten del material base
Obtener simulaciones de demanda energeacutetica para la vivienda en estudio
con y sin materiales de cambio de fase incorporados en sus muros
mediante el software Energy Plus
Optimizar el disentildeo de la solucioacuten constructiva con PCM en relacioacuten a los
datos de la zonificacioacuten
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CAPITULO II MARCO TEOacuteRICO
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21 Marco Teoacuterico
A continuacioacuten se nombraraacute conceptos esenciales que aborda la
investigacioacuten tales como aislacioacuten teacutermica conductividad teacutermica confort
teacutermico y Inercia teacutermica
Cabe de destacar que la inercia teacutermica juega un papel importante en los
sistemas de calefaccioacuten pasiva ya que el retraso teacutermico puede ser mayor o
menor dependiendo el espesor y materialidad
La inercia teacutermica permite ir liberando el calor acumulado en los elementos
compuestos por materiales pesados en la vivienda de manera tal que durante
la noche cuando la temperatura desciende esta baja sea amortiguada por el calor
cedido
En el verano la envolvente se encuentra expuesta a la radiacioacuten solar y al
soleamiento por lo tanto debe ser capaz de almacenar el calor obtenido desde
el exterior y asiacute evitar que la temperatura en el interior del recinto sea elevada
durante el diacutea generando una peacuterdida de confort (CCHC 2010)
22 Materiales con cambio de fase (PCM)
Un PCM es una sustancia capaz de almacenar y liberar energiacutea del medio
que le rodea manteniendo la temperatura constante durante la transferencia de
calor Este intercambio de energiacutea se denomina calor latente de un material y se
produce durante el cambio de fase del mismo El intereacutes de estos materiales es
que durante el cambio de fase la temperatura media se mantiene constante
mientras el material absorbe o libera energiacutea durante la etapa de fusioacuten o
solidificacioacuten del material Esto supone una mayor densidad energeacutetica en este
proceso respecto a un intercambio por calor sensible
En una investigacioacuten sobre PCM afirma que estos mediante su calor
latente de fusioacuten almacenan de 5 a 14 veces maacutes calor por unidad de volumen
que materiales por almacenamiento de calor sensible como el agua albantildeileriacutea
o rocas entre otras (Sharma 2009)
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Para la investigacioacuten se estudioacute materiales cambio fase de estado liacutequido-
solido ya que aunque la cantidad de energiacutea almacenada es inferior que entre
otros cambios de estado (solido-gas) la variacioacuten de volumen del estado es
menor
221 Funcionamiento
La mejor forma para explicar el funcionamiento de estos materiales es
estudiando el proceso de cambio de fase del agua en estado liacutequido el agua va
aumentando su temperatura progresivamente hasta alcanzar los 100degC Una vez
alcanza esta temperatura empieza su cambio de estado en el cual absorberaacute
calor pero mantendraacute una temperatura constante de 100degC hasta que finalice su
cambio de fase y todo el liacutequido se haya convertido en vapor De manera inversa
ocurre cuando la temperatura del agua disminuye hasta alcanzar los 0degC En este
caso el agua empezaraacute a liberar calor y durante este proceso mantendraacute su
temperatura constante en 0degC hasta que complete su solidificacioacuten y todo el
liacutequido se haya convertido en hielo (B Zalba J Marin L Cabeza y H Mehling
2003)
En la Figura 21 se observa coacutemo la temperatura se mantiene constante
en 0degC formando una recta horizontal durante su cambio de fase y posteriormente
en 100degC hasta que se convierte en vapor
Figura 21 Diagrama de proceso de cambio de fase Hielo ndash Vapor
Fuente (B Zalba J Marin L Cabeza y H Mehling 2003)
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Del mismo modo actuacutean los PCM cada uno tiene su propia temperatura
de cambio de fase y gracias a las variaciones de temperatura entre el diacutea y la
noche ocurren los ciclos de fusioacuten y solidificacioacuten de estos materiales resultando
en la absorcioacuten maacutexima de energiacutea durante el diacutea cuando las temperaturas
suben y la disipacioacuten de eacutesta en la noche cuando la temperatura ambiente baja
La energiacutea utilizada para cambiar el estado del material dado que la temperatura
de cambio de fase es aproximada a la temperatura ambiente de confort deseada
daraacute lugar a un clima interior maacutes estable y coacutemodo asiacute como tambieacuten reduciraacute
las cargas de enfriamiento y calefaccioacuten en horas pico especialmente en
aquellas edificaciones con baja masa teacutermica (S E Kalnaes and B P Jelle
2015)
222 Propiedades
A continuacioacuten se describiraacuten las propiedades maacutes relevantes que definen un
material de cambio de fase (Oroacute 2012)
a) Propiedades Termofisica
Temperatura de fusioacuten (Tf) en el rango de funcionamiento seguacuten la
aplicacioacuten
Alto calor latente de fusioacuten (ΔHf) por unidad de volumen
Alto calor especiacutefico para proporcionar calor sensible adicional
significativo
Alta conductividad teacutermica en fase soacutelida y liacutequida (buena transferencia de
calor)
Baja variacioacuten de volumen en el cambio de fase y baja presioacuten de vapor a
la temperatura de funcionamiento
Fusioacuten congruente del material de cambio de fase con cada ciclo de
solidificacioacutenfusioacuten con el miacutenimo sub-enfriamiento
Cambio de fase ciclo continuo con termino de vida uacutetil
Alta densidad
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b) Propiedades quiacutemicas
Ciclo de solidificacioacutenfusioacuten reversible y completo
Baja degradacioacuten despueacutes de un elevado nuacutemero de ciclos de
fusioacutensolidificacioacuten
No corrosivo para los materiales encapsulados
No toacutexico no inflamable y no explosivo
c) Econoacutemicas
Abundante y disponible
Rentable en relacioacuten al ahorro energeacutetico y costos del material
Faacutecil reciclaje y tratamiento quiacutemicos
223 Almacenamiento de energiacutea teacutermica
La necesidad de almacenamiento energeacutetico y de buscar formas de
acondicionamiento pasivo es lo que inspira a la investigacioacuten a centrarse en el
almacenamiento teacutermico Es fundamental para el desarrollo del paiacutes disminuir la
demanda energeacutetica sin sacrificar el confort (PRIEN 2002)
En esta seccioacuten de la investigacioacuten se daraacute a conocer las formas de
almacenamiento teacutermico existentes y dando eacutenfasis al almacenamiento
energeacutetico por calor latente donde pertenecen los materiales de cambio fase
(PCM)
El equilibrio termodinaacutemico de los PCM se debe principalmente a los
intercambios de calor con el entorno externo El tiempo para que el PCM alcance
el nuevo equilibrio termodinaacutemico es el tiempo necesario para que el calor sea
intercambiado con el espacio a climatizar Los paraacutemetros baacutesicos de los
materiales de cambio de fase incluyen seguacuten ecuacioacuten (1)
bull Capacidad caloriacutefica [J kg]
119876 = int 119862119901119904 119889119905 + 119862119898 + int 119862119901119897 119889119905 cong 119862119901119904(119879119898 minus 1198791) + 119862119898 + 1198792
119879119898
119879119898
1198791
119862119901119897(1198792 minus 1198791)
Ec 1
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
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Donde 119862119901119904 o 119862119901119897 Calor especiacutefico soacutelido y liacutequido kJ(kg times K) 119862119898 Calor
de transformacioacuten de fase (fusioacuten) kJ(kg times K) Tm - temperatura de transicioacuten
de fase (fusioacuten) T1 T2 rango de temperatura de funcionamiento de operacioacuten
224 Clasificacioacuten
Actualmente existe un gran nuacutemero de materiales cambio fase que han
sido investigados debido a que poseen una temperatura y un alto calor latente
de fusioacuten dentro del rango operacional deseado sin embargo exceptuando por
esta caracteriacutestica la mayoriacutea de estos materiales no satisfacen los otros
criterios necesarios para un medio de almacenamiento adecuado (Sharma
2009)
Aquellos que siacute responden a estas prestaciones y se encuentran disponibles en
el mercado pueden ser clasificados en tres grandes grupos orgaacutenicos
inorgaacutenicos y euteacutecticos (V Tyagi amp D Buddhi 2007)
Figura 22 Clasificacioacuten de los Materiales Cambio Fase
Fuente Elaboracioacuten Propia
Materiales Cambio Fase
Organico
Parafina Acido Graso
Inorganico
Sal Hidratada
Metalico
Eutectico
Inorganico -Inorganico
Inorganico -Organico
Organico -Organico
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Los materiales de cambio de fase liquido-solido maacutes comunes estaacuten en el
rango de temperaturas entre 20degC y 80 degC son las ceras de parafina sales
hidratadas mezclas euteacutecticas y aacutecidos grasos
Las ceras de parafina estaacuten disponibles en el mercado pero su calor
latente (hasta 200 kJkg) es solo la mitad del de las sales hidratadas
Las sales hidratadas son maacutes econoacutemicas que las ceras de parafina y
tambieacuten estaacuten disponibles en el mercado pero tienen algunas desventajas como
las bajas temperaturas de fusioacuten o la corrosioacuten en contacto con metales
En las mezclas euteacutecticas intervienen dos componentes con punto de
fusioacuten (solidificacioacuten) maacutes bajo que el que poseen los compuestos
individualmente Esto hace que la mezcla alcance el punto de congelacioacuten maacutes
bajo posible y ambos se solidifiquen a esa temperatura euteacutectica (Ramiacuterez A
Santos A amp Gonzaacutelez N 2012)
Los PCM tienen una significativa capacidad de almacenar calor por medio
del cambio de estado pero es necesario tener en cuenta los paraacutemetros de
disentildeo del problema y las ventajas y desventajas de los diferentes tipos de
materiales para determinar cuaacuteles son los maacutes apropiados de utilizar en la
construccioacuten dependiendo de sus diferentes caracteriacutesticas y maacutes importante
aun dependiendo de si su temperatura de cambio de fase se acerca a la
temperatura de confort
2241 PCM inorgaacutenicos sales hidratadas
Seguacuten varios investigadores estos materiales fueron muy estudiados en
las primeras etapas de investigacioacuten de PCM por su bajo costo y su capacidad
de almacenamiento de grandes cantidades de calor por unidad de volumen en
comparacioacuten con las sustancias orgaacutenicas que las convierten en candidatos
idoacuteneos para sus muacuteltiples aplicaciones en el aacutembito del almacenamiento de
energiacutea
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
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La buacutesqueda de sustancias con temperatura de cambio de fase proacutexima a
la temperatura ambiente no ha encontrado buenos candidatos dentro de este
grupo y las investigaciones se han dirigido maacutes hacia las sustancias orgaacutenicas
Tabla 21 Ventajas e inconvenientes de los PCM inorgaacutenicos
Ventajas Inconvenientes
Econoacutemicos Problemas en el encapsulado y preparacioacuten
del material
Elevada densidad de
almacenamiento teacutermico
Para un uso prolongado necesita de aditivos
Elevada conductividad teacutermica Son susceptibles de sub enfriamiento
(Inestables)
Temperatura de cambio de fase
claramente definida
Debido a la inestabilidad teacutermica y histeacuteresis
se debe aplicar aditivos para evitar una fusioacuten
incongruente en su aplicacioacuten donde puede
reducir su capacidad de almacenamiento de
calor latente
No inflamables Potencialmente corrosivos con algunos
metales
Reciclables y biodegradables
Fuente (Ramiacuterez A Santos A amp Gonzaacutelez N 2012)
Las sales hidratadas tienen algunas propiedades atractivas como los
elevados valores de calor latente no son inflamables y su elevado contenido
hiacutedrico significa que son baratos y muy disponibles Sin embargo sus
caracteriacutesticas de inadaptacioacuten (corrosioacuten inestabilidad dificultades de re-
solidificacioacuten y tendencia al sub enfriamiento) han implicado la realizacioacuten de
estudios hasta la actualidad para poder manejar estas desventajas y realizar su
correcta aplicacioacuten Necesitan por tanto un contenedor para utilizarlos como
aditivos de otros materiales (Ramiacuterez A Santos A amp Gonzaacutelez N 2012)
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
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Tabla 22 Temperatura de fusioacuten de algunas sales hidratadas
PCM Temperatura
fusioacuten (ordmC)
Q fusioacuten (kJkg)
KFmiddot4H2O 185 231
Na2SO4middot10H2O 324 254
CaCl2middot6H2O 24ndash29 192
CaCl2middot6H2O+Nucleador+MgCl2middot6H2O 23 -
Fuente (Ramiacuterez A Santos A amp Gonzaacutelez N 2012)
En la tabla 21 se muestran algunas ventajas y desventajas de los PCM
inorgaacutenicos y en la tabla 22 se muestran las temperaturas de fusioacuten de las sales
hidratadas que permiten determinar cuaacuteles son las oacuteptimas para utilizar en
aislacioacuten (las cuales su temperatura de fusioacuten se acerca a la temperatura de
confort)
2242 PCM orgaacutenicos parafinas aacutecidos grasos y mezclas orgaacutenicas
Los PCM orgaacutenicos poseen unas caracteriacutesticas que los hacen muy uacutetiles
en su aplicacioacuten en determinados elementos constructivos para almacenamiento
de calor latente
Investigadores determinaron que son maacutes estables quiacutemicamente que las
sustancias inorgaacutenicas funden y solidifican convenientemente sin necesidad de
agentes nucleadores y no sufren sub-enfriamiento o histeacuteresis (Gawron 1981)
No obstante se ha demostrado que son maacutes compatibles y adecuados para la
adsorcioacuten en varios materiales constructivos Aunque el costo inicial en materia
prima de un PCM orgaacutenico es superior al de un inorgaacutenico su costo final es
competitivo
Sin embargo estos materiales tienen otras desventajas la maacutes
significativa es que son inflamables y que emiten gases nocivos durante su
combustioacuten Otros problemas menos extendidos son las reacciones con los
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
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productos de la hidratacioacuten en hormigoacuten (hidroacutexido de calcio) envejecimiento por
oxidacioacuten y cambios de olor
Muchos de estos inconvenientes se han eliminado Se ha visto que el
envejecimiento por oxidacioacuten de los PCM puede inhibirse utilizando un oxidante
adecuado Se estaacute investigando tambieacuten en la emisioacuten de gases y la
inflamabilidad de algunos de los PCM maacutes efectivos para establecer un radio de
ignicioacuten Tambieacuten se estaacute investigando sobre la compatibilidad de los PCM con
el hormigoacuten (Ramiacuterez A Santos A amp Gonzaacutelez N 2012)
En la tabla 23 se muestran algunas ventajas y desventajas de los PCM
orgaacutenicos y en la tabla 24 y 25 se muestran las temperaturas de fusioacuten de las
parafinas y aacutecidos grasos que permiten determinar cuaacuteles son las oacuteptimas para
utilizar en aislacioacuten (las cuales su temperatura de fusioacuten se acerca a la
temperatura de confort)
Tabla 23 Ventajas e inconvenientes de los PCM orgaacutenicos
Ventajas Inconvenientes
Faacuteciles de usar Calor latente y entalpiacutea maacutes bajos
Estabilidad teacutermica y quiacutemica Baja conductividad teacutermica
No sufren subenfriamiento Amplio rango de fusioacuten
No necesitan agente nucleador para
solidificar
Inflamables
No corrosivos Reaccioacuten potencial con hormigoacuten
Reciclables y ecoloacutegicamente inocuos Alto costo
Compatibilidad con materiales de construccioacuten convencionales
Fuente (Ramiacuterez A Santos A amp Gonzaacutelez N 2012)
Dentro de los PCM orgaacutenicos se pueden encontrar tres grupos de
sustancias diferentes parafinas aacutecidos grasos y mezclas orgaacutenicas A
continuacioacuten se presenta una pequentildea descripcioacuten de estos (Ramiacuterez A
Santos A amp Gonzaacutelez N 2012)
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
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22421 Parafinas
Las parafinas son esencialmente un alcalino solido refinado Muestran dos
rangos de enfriamiento un rango maacutes estrecho para un breve periodo de tiempo
y un rango maacutes extenso que ocurre durante un periodo maacutes amplio Ambos se
interpretan como una transicioacuten de liacutequido a amorfo-soacutelida y amorfo-solida a
cristalino-solida respectivamente Parte del calor latente total de fusioacuten se
almacena en la sustancia durante cada una de estas transiciones
Tabla 24 Temperatura de fusioacuten de algunas parafinas
PCM Temperatura fusioacuten (ordmC) Q fusioacuten (kJkg)
Hexadecano 18 236
Heptadecano 22 214
Octadecano 28 244
Parafina 20ndash60 200
RT25 25 147
Fuente (Ramiacuterez A Santos A amp Gonzaacutelez N 2012)
22422 Aacutecidos Grasos
Los aacutecidos grasos derivados de productos animales y vegetales estaacuten
constituidos por una larga cadena alifaacutetica maacutes de 12 carbonos Su cadena
alquiacutelica puede ser saturada o insaturada
En general muestran excelentes caracteriacutesticas teacutermicas (punto de fusioacuten
y congelacioacuten) El rango de temperatura de refrigeracioacuten es grande y no se
produce sub enfriamiento aunque en algunos casos se han detectado Estos
materiales sin embargo tienen elevado costo pudieacutendose utilizar en dispositivos
especiales de almacenamiento de calor o frio
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
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Tabla 25 Temperatura de fusioacuten de algunos aacutecidos grasos
PCM Temperatura fusioacuten (ordmC) Q fusioacuten (kJkg)
Caacuteprico 315 158
Laacuteurico 42-44 179
Pentadecano 52 159
Miriacutestico 54 190
Palmiacutetico 63 183
Esteaacuterico 70 196
Eritrol 116-118 126
Fuente (Ramiacuterez A Santos A amp Gonzaacutelez N 2012)
2243 Mezclas euteacutecticas
Tambieacuten existen las mezclas euteacutecticas que puede ser la mezcla de 2
PCM orgaacutenicos de 2 PCM inorgaacutenicos o de un PCM Orgaacutenico maacutes un PCM
inorgaacutenico A continuacioacuten en la tabla 26 se muestra la clasificacioacuten de los PCM
Tabla 26 Clasificacioacuten de los PCMs
Tipo PCM Composicioacuten
Orgaacutenicos Compuestos de parafina
Compuestos sin parafina
Inorgaacutenicos Sales hidratadas
Metaacutelicos
Euteacutecticos Orgaacutenico-Orgaacutenico
Orgaacutenico-Inorgaacutenico
Inorgaacutenico-Inorgaacutenico
Fuente (JuarezD Balart R Ferrandiz S amp Garcia D 2012)
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
33
Diego Sarabia Meacutendez
23 Criterios de seleccioacuten de los Materiales con Cambio se Fase
Es muy importante la correcta seleccioacuten del material de cambio de fase
dependiendo del campo en que se desee utilizar por lo que a continuacioacuten se
presentaran algunos criterios para seleccionar un PCM correctamente Estos
criterios son propuestos seguacuten una investigacioacuten realizada en Espantildea (Ramiacuterez
A Santos A amp Gonzaacutelez N 2012)
a) Fiacutesicas
bull La densidad del liacutequido y del solido deben ser similares y preferiblemente
elevadas para poder almacenar mayor cantidad de calor por unidad de volumen
bull Variacioacuten de volumen (en el cambio de fase) bajo
b) Cineacuteticas
bull Evitar el problema de histeacuteresis subenfriamiento o retardo al inicio de la
solidificacioacuten como ocurre en los PCM inorgaacutenicos que se produce al no ceder
el calor latente de un PCM pese a que su temperatura sea inferior al punto de
congelacioacuten
c) Quiacutemicas
bull El proceso de cambio de fase debe ser totalmente reversible y solo dependiente
de la temperatura
bull Ser quiacutemicamente estables en el tiempo evitando su descomposicioacuten y
contaminacioacuten
bull No presentar segregacioacuten de fases
bull Ser compatibles con los materiales de encapsulado y otros con los que esteacute en
contacto estabilidad quiacutemica para evitar oxidacioacuten descomposicioacuten teacutermica
hidroacutelisis corrosioacuten y otras reacciones
bull No inflamables y resistentes al fuego
d) Teacutermicas
bull La temperatura de cambio de fase debe ser adecuada a cada aplicacioacuten
particular
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
bull Presentar una temperatura de fusioacuten definida o al menos el cambio de fase
debe producirse en un valor discreto o en un pequentildeo intervalo de temperaturas
bull Poseer una gran capacidad de almacenamiento de calor sensible (calor
especiacutefico) en estado soacutelido y liacutequido y elevada entalpia de cambio de fase calor
latente
bull Poseer una alta conductividad teacutermica para facilitar la transferencia de calor
e) Econoacutemicas
bull Estar disponible en grandes cantidades a bajo costo para que sean viables
teacutecnica y econoacutemicamente
bull Tener un razonable ciclo de vida uacutetil de acuerdo con su costo
24 Vida uacutetil del material cambio fase
El tiempo de vida uacutetil de un PCM viene determinado por la cantidad de
ciclos teacutermicos que es capaz de soportar un material manteniendo su estabilidad
teacutermica El PCM es sometido a repetidos ciclos de calentamiento y enfriamiento
en los que el material cambia de fase de soacutelido a liacutequido y posteriormente vuelve
a cambiar de fase de liacutequido a soacutelido Se miden sus propiedades teacutermicas en
temperaturas fusioacuten y entalpias obteniendo el nuacutemero de ciclos en los que las
propiedades teacutermicas del material no variacutean de forma considerable
Tras realizar una exhaustiva buacutesqueda existe muy poca bibliografiacutea
acerca de la degradacioacuten teacutermica de los PCM y la determinacioacuten de su tiempo de
uso especialmente en aplicaciones para edificacioacuten donde la vida uacutetil del material
debe ser elevada
Aunque es complicado conocer la vida uacutetil real de estos materiales y en
queacute momento dejan de conservar sus propiedades adecuadas para las
aplicaciones a las que se destina existen algunos artiacuteculos basados en
experimentos realizados en laboratorios de materiales sometidos a ciclos
teacutermicos acelerados para determinar si en un nuacutemero de ciclos el material
mantiene sus propiedades teacutermicas intactas (temperaturas fusioacuten y entalpias)
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Diego Sarabia Meacutendez
Algunos materiales son sometidos a 50 100 1000 o hasta 5000 ciclos teacutermicos
Pero el problema es determinar si ese maacuteximo de 5000 ciclos es suficiente para
asegurar que un material seguiraacute cumpliendo su funcioacuten Hasta el momento no
se ha encontrado en la literatura ninguna investigacioacuten donde se ensaye el
material un nuacutemero suficiente de ciclos hasta la peacuterdida de sus propiedades
teacutermicas para poder conocer su vida uacutetil o el nuacutemero de ciclos que es capaz de
soportar el PCM hasta su degradacioacuten
Por todo lo anteriormente expuesto en esta investigacioacuten se ha
considerado la vida uacutetil del material como el mayor nuacutemero de ciclos soportados
por un material obtenidos a partir de los estudios realizados por diferentes autores
en la literatura o fabricante a pesar de no haber llegado a degradarse en su
totalidad
25 Aplicacioacuten en la construccioacuten
El sector de la construccioacuten es el que maacutes beneficios puede obtener de la
utilizacioacuten de materiales con cambio de fase (PCM) ya que tiene importantes
beneficios en ahorro energeacutetico reducir la contaminacioacuten de CO2 y optimizar la
inercia teacutermica en las edificaciones con el objetivo de mejorar la habitabilidad de
los usuarios
La temperatura interior en un edificio depende de las condiciones
exteriores interiores y de las caracteriacutesticas teacutermicas de la edificacioacuten como la
capacidad teacutermica de los materiales que tiene un efecto como el mostrado en la
figura 23 el cual no considera un sistema activo en su anaacutelisis
Figura 23 Estabilizacioacuten de la temperatura interior por el efecto inercia teacutermica
Fuente (M Kenisarin amp K Mahkamov 2007)
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teacutermica de una viviendardquo
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Actualmente la mayoriacutea de los materiales de construccioacuten son livianos lo
que trae como consecuencia una baja capacidad caloriacutefica La introduccioacuten de
materiales de cambio de fase puede aumentar la inercia teacutermica del edificio sin
aumentar mucho su peso Sin embargo es necesario disponer de aacuterea de
transferencia de calor suficiente para liberar esa energiacutea (Dincer I amp Rosen M
2002) y es imprescindible que se pueda descargar el material por medio de la
ventilacioacuten durante la noche para prevenir el sobrecalentamiento en los
elementos con PCM (M Kenisarin amp K Mahkamov 2007)
La Figura 24 muestra una comparacioacuten entre el espesor de material
requerido para obtener la misma capacidad teacutermica que la obtenida con un
centiacutemetro de PCM
Figura 24 Espesor requerido de distintos materiales Vs Energiacutea teacutermica
Fuente (M Kenisarin amp K Mahkamov 2007)
Las caracteriacutesticas requeridas para el empleo de materiales de cambio de
fase en la edificacioacuten son
0 5 10 15 20 25 30 35 40
Yeso
Madera
Hormigon
Ceramico
Ladrillo
PCM
Espesor (cm)
H (
kJK
g)
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Temperatura de cambio de fase entre 12 y 25ordmC
Alta estabilidad a los ciclos de cambio de fases debido a la larga vida uacutetil
de los edificios
No corrosivos para reducir el riesgo de fuga de su contenedor y evitar
dantildeos en la estructura del edificio
Considerar la inflamabilidad al fuego y dar soluciones constructivas de
acuerdo a la normativa
Econoacutemicamente viable en funcioacuten de los costos de implementacioacuten y
ahorro energeacuteticos
Una limitacioacuten de los PCM para su aplicacioacuten en la construccioacuten es la
estacionalidad pues el PCM debe ser seleccionado para aplicaciones en
calefaccioacuten pasiva Esta limitacioacuten reduce los beneficios teacutermicos el ahorro
energeacutetico y su viabilidad econoacutemica Investigadores estudiaron un concepto de
doble capa de PCM para que funcionara durante todo el antildeo (A Pasupathy L
Athanasius R Velraj amp RV Seeniraj 2008)
26 Encapsulacioacuten
Uno de los criterios que ha limitado el uso generalizado de los PCM es la
incompatibilidad entre estos materiales y sus contenedores afectando su
estabilidad a largo plazo degradado sus propiedades y provocando la corrosioacuten
de sus recipientes de embalaje Como respuesta a estos inconvenientes han
surgido diferentes teacutecnicas de encapsulacioacuten de los PCM las cuales ofrecen
unas ventajas significativas tales como
Aumento del aacuterea de transferencia de calor
Reduccioacuten de la reactividad hacia el ambiente exterior
Control de los cambios en el volumen eacutestos ocurren dentro de la capsula
No hay absorcioacuten de humedad
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Los meacutetodos de encapsulacioacuten clasificados de acuerdo a su tamantildeo
pueden ser de dos tipos micro y macro encapsulados (Lane 1986)
261 Microcaacutepsulas
Una investigacioacuten menciona que la micro encapsulacioacuten podriacutea definirse
como el proceso de rodear o envolver una sustancia en otra sustancia a escala
muy reducida produciendo caacutepsulas que van desde 1 μm a 1000 μm de diaacutemetro
Los tres estados de la materia (soacutelidos liacutequidos y gases) pueden ser micro
encapsulado
El material de la membrana exterior debe ser compatible con el PCM y a
su vez ser capaz de hacer frente a la tensioacuten mecaacutenica sobre las paredes del
recipiente provocada por las variaciones de volumen durante el cambio de fase
(S E Kalnaeligs amp B P Jelle 2015)
Por lo general los PCM micro-encapsulados se encuentran
comercialmente disponibles en dos formatos dispersioacuten fluida donde las
caacutepsulas son dispersadas en agua o en polvo en mezclas en seco
La figura 25 muestra en teacuterminos practico la conformacioacuten de la
envolvente de poliacutemero en una cera PCM dimensionando el tamantildeo en ellas
Figura 25 Microcaacutepsulas
Fuente (S E Kalnaes and B P Jelle 2015)
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262 Macrocaacutepsulas
La macro-encapsulacioacuten hace referencia a PCM encapsulados en
cualquier tipo de recipiente tal como tubos esferas o paneles que pueden ser
incorporados en materiales de construccioacuten o que actuacutean como intercambiadores
de calor por siacute mismos El tamantildeo de estos contenedores es por lo general maacutes
de 1 cm3 almacenando desde varios mililitros hasta varios litros La tecnologiacutea
de macro encapsulacioacuten emplea un proceso de encapsulacioacuten de doble capa
creando una caacutepsula con una configuracioacuten en forma de matriz La principal
ventaja de los envases plaacutesticos es la disponibilidad en el mercado y la facilidad
de producirlos en una gran variedad de formas y con pocas restricciones
geomeacutetricas Ademaacutes son compatibles con la mayoriacutea de PCM incluyendo las
sales hidratadas por lo general no presentan degradacioacuten aunque algunos
materiales orgaacutenicos pueden llegar a suavizarlos (S E Kalnaes and B P Jelle
2015)
El PCM se encuentra confinado por la encapsulacioacuten evitaraacute cambios
volumeacutetricos importantes lo que evita varios riesgos y garantiza la integridad del
componente en el que se insertan las caacutepsulas La barrera polimeacuterica puede ser
de otros materiales por ejemplo como aluminio ya que mejora la compatibilidad
con otros materiales de construccioacuten y evita la corrosioacuten Este tipo de aplicacioacuten
es de faacutecil manejo una clara ventaja de este proceso en relacioacuten a los meacutetodos
de impregnacioacuten e inmersioacuten del iacutetem anterior
Figura 26 Caacutepsulas de macro PCM (Contenedor plano Esfera Placas de
barra doble y placas de aluminio)
Fuente (S E Kalnaeligs amp B P Jelle 2015)
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
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CAPITULO III MEacuteTODOS Y METODOLOGIacuteA
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teacutermica de una viviendardquo
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En este estudio la evaluacioacuten se centra en el anaacutelisis de optimizacioacuten de
la aplicacioacuten PCM a los muros exteriores y dimensionamiento del rendimiento
teacutermico de una vivienda en estudio
Los modelos generados en el software Energy Plus se ingresoacute valores de
los sistemas constructivos de la vivienda en estudio condiciones climaacuteticas
caracterizacioacuten PCM en muros exteriores y caracterizacioacuten macro encapsulacioacuten
de acuerdo con las directrices (DOE 2016) se explica en las siguientes secciones
del capiacutetulo
31 Herramienta de simulacioacuten de energiacutea
Para evaluar los PCM de comportamiento teacutermico variable de la vivienda
en estudio con y sin PCM se utilizoacute el software EnergyPlus v 87
En teacuterminos generales el software puede evaluar una variedad de caacutelculos
destacados como los caacutelculos de puentes teacutermicos HVAC integrado y
simulaciones de carga de construccioacuten confort teacutermico y materiales con
conductividad teacutermica variable como el PCM (DB Crawley LK Lawrie FC
Winkelmann WF Buhl YJ Huang amp CO Pedersen 2001) Ademaacutes hay
muchas opciones para la conveccioacuten de la superficie interior y exterior
algoritmos infiltracioacuten avanzada e ventilacioacuten energiacutea desarrollada costos del
ciclo de vida algoritmos avanzados de confort teacutermico como como la calidad del
aire interior y el confort teacutermico para los ocupantes (DB Crawley JW Hand M
Kummert amp BT Griffith 2008)
Para analizar el comportamiento teacutermico variable de los PCM en estudio
se utilizoacute el algoritmo de diferencia finita de conduccioacuten (CondFD) Este algoritmo
modela la transferencia de calor en presencia de PCM y junto con la ecuacioacuten (2)
discretiza la envolvente del edificio en varios nodos para resolver numeacutericamente
la transferencia de calor en el software se puede escoger ecuaciones por un
esquema totalmente impliacutecito y el Crank-Nicolson que es semi-impliacutecito (KO
Lee 2016)
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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En esta investigacioacuten se utiliza un esquema Crank-Nicolson para simular
PCM para un material homogeacuteneo con espaciado uniforme de nodos como se
muestra en la ecuacioacuten (2) (3) y (4) extraiacutedo del manual del software
EnergyPlus (DOE 2016)
119862119901120588∆119909119879119894
119895+1minus 119879119894
119895
∆119905= (119896119908
119879119894+1119895+1
minus 119879119894119895+1
∆119909+ 119896119864
119879119894minus1119895+1
minus 119879119894119895+1
∆119909+ 119896119908
119879119894+1119895
minus 119879119894119895
∆119909+ 119896119864
119879119894minus1119895
minus 119879119894119895
∆119909)
Ec 2
∆119909 = radic119888120572∆119905 Ec 3
Donde Cp y ρ son el calor especiacutefico y la densidad del material Δ119909 es el
espesor de capa de diferencia finita Δ119905 es el paso de tiempo 119879 es la temperatura
de un nodo 119894 119894 + 1 y 119894 minus 1 son los nodos adyacentes al interior y exterior
respectivamente de una capa de material 119895 y 119895 + 1 son los pasos de tiempo
anterior y nuevo 119896119908 y 119896119864 representan las conductividades teacutermicas 119896119908 =
119896119894+1119895+1
+119896119894119895+1
2 y 119896119864 =
119896119894minus1119895+1
+119896119894119895+1
2 120572 es la difusividad teacutermica del material y 119888 es la
constante de discretizacioacuten del espacio que puede definir el usuario (3 es el valor
predeterminado para esta constante seguacuten manual)
Esta investigacioacuten considera el uso de paneles PCM por lo tanto el
algoritmo CondFD ecuacioacuten (2) debe combinarse con una funcioacuten de temperatura
de entalpiacutea ℎ = ℎ (119879) estos datos en la funcioacuten se obtendraacuten de acuerdo al estudio
bibliograacutefico El algoritmo usa esta funcioacuten para actualizar el calor especiacutefico
equivalente (119862119901) en cada paso de tiempo como se muestra en la ecuacioacuten (4)
lowast 119862119901(119879) =ℎ119894
119895minus ℎ119894
119895minus1
119879119894119895
minus 119879119894119895minus1
Ec 4
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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32 Descripcioacuten Vivienda en estudio
En este apartado se define los sistemas constructivos de la vivienda en
estudio con y sin PCM para obtener la liacutenea base de comparacioacuten
En la figura 31 se muestra el disentildeo de vivienda en estudio de 56 m2 y
los espacios interiores con su distribucioacuten de aacutereas veacutease en la tabla 31 esta
vivienda se configuro de acuerdo a las soluciones constructivas acreditadas
(MINVU Soluciones constructivas acreditadas al fuego teacutermico y acuacutestico
2020)
Las caracteriacutesticas de la envolvente de la vivienda en estudio cuentan con
la configuracioacuten miacutenima de la reglamentacioacuten teacutermica que actualmente rige en
Chile estaacute establecida en la Ordenanza General de Urbanismo y Construcciones
en su artiacuteculo 4110 y en una zonificacioacuten del paiacutes en zonas teacutermicas seguacuten
grados-diacutea especificados en el manual de aislamiento teacutermico (MINVU Manual
de aplicacioacuten y reglamentacoacuten teacutermica 2017) Los complejos de techumbres
muros perimetrales y pisos inferiores ventilados entendidos como elementos que
constituyen la envolvente de la vivienda deberaacuten tener una transmitancia teacutermica
ldquoUrdquo igual o menor o una resistencia teacutermica total ldquoRtrdquo igual o superior a la
sentildealada para la zona que le corresponda al proyecto de arquitectura de acuerdo
con los planos de zonificacioacuten teacutermica corresponde a zona 4 y se verifica lo
anteriormente expuesto en la tabla 32 cabe sentildealar que los valores de
transmitancia teacutermica se extrajeron de acuerdo a las ecuaciones de balance
teacutermico que estaacute incorporado en el software
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Figura 31 Descripcioacuten Vivienda en estudio
Elaboracioacuten Propia - Software Revit
A continuacioacuten se muestra las dimensiones que tiene cada espacio de las
dos torres del edificio en las siguientes tablas
Tabla 31 Resumen superficies de los distintos espacios vivienda en estudio
Torre A
Lugar Superficie (119950120784) Altura (m)
Dormitorio Primario 8 24
Dormitorio Secundario 7 24
Cocina 9 24
Living - Comedor 28 24
Bantildeo 3 24
TOTAL 56
Fuente Elaboracioacuten Propia
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teacutermica de una viviendardquo
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Tabla 32 Cumplimiento de la envolvente elementos constructivos de la vivienda en estudio
Elemento Materiales (exterior al
interior)
Espesor (m)
Transmitencia teacutermica Valor U (Wm2K)
Transmitencia teacutermica exigida Valor U (Wm2K)
Muro Exterior
Siding
Fibrocemento
0006
0672
17
Plancha OSB 0009
Entramado
madera pino 2x3
0075
Lana de vidrio 005
Caacutemara no
ventilada
(Ubicacioacuten del
PCM)
0026
Placa yeso cartoacuten 0015
Muro Interior
Placa yeso cartoacuten 0015
0677
17
Entramado
madera pino 2x2
0075
Lana de vidrio 005
Placa yeso cartoacuten 0015
Techumbre
Plancha Zincalum 0035
0316
038
Fieltro 0005
Plancha OSB 0009
Entramado madera pino 2x2
0075
Lana de Vidrio 005
Placa yeso cartoacuten 00125
Piso en contacto
con el terreno
Radier Hormigoacuten 02 17 No aplica
Fuente Elaboracioacuten Propia
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Para integrar el PCM con la vivienda en estudio se configuro las
propiedades teacutecnicas y la ubicacioacuten optima interna del PCM al panel externo
constructivo donde se administroacute en el modelo de simulacioacuten veacutease en la Figura
313 y figura 38
321 Meacutetodo de zona en software EnergyPlus
El modelo de construccioacuten creado se utilizoacute el meacutetodo de zona donde
todas las zonas fueron modeladas con informacioacuten completa en construccioacuten
ocupacioacuten equipamiento y HVAC
Al iniciar el modelo se elige la ubicacioacuten y el tipo de anaacutelisis Despueacutes se
debe ingresar un nombre al sitio y a cada zona Ademaacutes se puede asignar varios
edificios bajo el mismo sitio cada uno con su propio nombre Una vez definido lo
anterior se genera bloque que generalmente representa un piso o nivel planta
para este estudio se genera bloque de acuerdo a la figura 32
Figura 32 Modelo de zona en casa de estudio
Fuente Elaboracioacuten Propia
La fase de zonificacioacuten separa las diferentes zonas teacutermicas Para el
modelo cada suite se considera una zona El meacutetodo de zona permite asignar
diferentes horarios operativos a cada zona Cada una de las paredes de cada
bloque se llama superficie y ventanas o puertas como sub-superficies o
aberturas La vivienda se muestra parcialmente en la Figura 33
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
Figura 33 Zona y sub-superficie de vivienda en estudio
Fuente Elaboracioacuten Propia
El software da la posibilidad de elegir los materiales utilizados en la
construccioacuten de la vivienda a traveacutes de sus bibliotecas de materiales o pueden
ser creados por el usuario y los materiales elegidos son asignado a las partes
especificadas de la vivienda Estos pasos se repitieron en todos los pisos para
completar todo el modelo de construccioacuten
33 Datos meteoroloacutegicos
El modelo de simulacioacuten se mantuvo en base a los datos meteoroloacutegicos
con formato EPW en Energy plus se definioacute la ubicacioacuten Concepcioacuten Chile Con
el objetivo de evaluar el rendimiento teacutermico y analizar la optimizacioacuten de la
posicioacuten del PCM al muro exterior de la vivienda en estudio Las configuraciones
de los datos meteoroloacutegicos se muestran en la Figura 34
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Figura 34 Configuracioacuten datos meteoroloacutegico
Fuente Elaboracioacuten Propia
34 Jornadas de ocupacioacuten
Para realizar la simulacioacuten energeacutetica se deben definir una serie de
planillas de ocupacioacuten de los recintos uso de luminaria y equipos En estas
planillas de ocupacioacuten se define el ciclo horario para todos los diacuteas del antildeo
Esto se realiza con la finalidad de establecer los periodos en los que
influyen los distintos tipos de cargas internas en la vivienda
A continuacioacuten se adjunta a modo de ejemplo la figura 35 en la cual se
puede ver el menuacute de configuracioacuten de las plantillas de ocupacioacuten
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Figura 35 Planilla de uso horario de un recinto
Fuente Elaboracioacuten propia
35 Configuracioacuten envolvente por elemento y sistemas de climatizacioacuten
Definidos las zonas y multi zonas del modelo se deberaacute configurar los
sistemas constructivos en sus propiedades teacutermicas y dimensiones El software
automaacuteticamente genera el caacutelculo de transmitancia teacutermica anaacutelisis de
condensacioacuten y dimensioacuten en imagen por elemento Veacutease en la figura 36
Para configurar el sistema de climatizacioacuten primero se debe definir los
rangos de temperatura confort teacutermico en la pestantildea de actividades del software
Veacutease figura 37 A continuacioacuten se define el tipo de sistema de climatizacioacuten
definiendo las horas de operacioacuten tipo combustible y rendimiento del sistema
como se muestra en la figura 38
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Figura 36 Planilla configuracioacuten envolvente por elemento
Fuente Elaboracioacuten propia
Figura 37 Planilla configuracioacuten rango de temperatura confort teacutermico
Fuente Elaboracioacuten propia
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teacutermica de una viviendardquo
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Figura 38 Planilla configuracioacuten del tipo de sistema de climatizacioacuten
Fuente Elaboracioacuten propia
36 Caracterizacioacuten PCM
En este estudio se utilizoacute placas PCM tipo orgaacutenico de parafina tiene una
relacioacuten de mezcla de n-octadecano a n-heptadecano seleccionado debido a la
eficiencia energeacutetica con temperatura cercana al confort teacutermico (12ndash26 deg C)
basado en ISO 13790 (KO Lee 2016)
Seguacuten el estado de arte existente se definioacute los tres materiales de cambio
de fase los cuales son candidatos idoacuteneos para utilizar en esta investigacioacuten
Estos materiales han sido estudiados por diversos autores con el fin de obtener
sus propiedades termofiacutesicas y usarlas en la edificacioacuten La razoacuten de utilizar estos
materiales es debido a sus propiedades teacutermicas y el que su temperatura de
fusioacuten es cercana a la temperatura de confort
Ademaacutes la vida uacutetil del PCM es de 13 antildeos seguacuten su ciclo de cambio
fase considerando 365 cambios fase anual el cual se justifica con los costos de
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
inversioacuten al implementar esta tecnologiacutea dependiendo de la magnitud del flujo
de calor el cuaacutel se quiere operar
Las especificaciones teacutecnicas de las placas PCM y el comportamiento de
temperaturas y entalpias de operacioacuten se describen en la tabla 33 las cuales se
vinculan con el algoritmo CondFD de la ecuacioacuten (2) para evaluar su rendimiento
energeacutetico en la vivienda en estudio
361 Seleccioacuten de Materiales Cambio Fase
Tabla 33 Especificaciones teacutecnicas de PCM a utilizar
Caracteriacutesticas RT18HC
Valores Unidades Grafica entalpia y Temperatura
Temperatura de Fusioacuten
18
degC
Almacenamiento de calor
260 [kJkg]
Capacidad calor especifico
2 [kJkgK]
Densidad solido (a los 15degC)
088 [kgl]
Densidad solido (a los 25degC)
077 [kgl]
Conductividad teacutermica
(Ambas fases)
02 [W(mK)]
Expansioacuten de Volumen
125
Maacutexima temperatura operacioacuten
50 degC
Ciclo Cambio fase
5000 -
Caracteriacutesticas RT21HC
Valores Unidades Grafica entalpia y Temperatura
Temperatura de Fusioacuten
21
degC
Almacenamiento de calor
155 [kJkg]
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Capacidad calor especifico
2 [kJkgK]
Densidad solido (a los 15degC)
088 [kgl]
Densidad solido (a los 25degC)
077 [kgl]
Conductividad teacutermica
(Ambas fases)
02 [W(mK)]
Expansioacuten de Volumen
12
Maacutexima temperatura operacioacuten
45 degC
Ciclo Cambio fase
5000 -
Caracteriacutesticas RT22HC
Valores Unidades Grafica entalpia y Temperatura
Temperatura de Fusioacuten
22
degC
Almacenamiento de calor
190 [kJkg]
Capacidad calor especifico
2 [kJkgK]
Densidad solido (a los 15degC)
076 [kgl]
Densidad solido (a los 25degC)
070 [kgl]
Conductividad teacutermica
(Ambas fases)
02 [W(mK)]
Expansioacuten de Volumen
125
Maacutexima temperatura operacioacuten
50 degC
Ciclo Cambio fase
5000 -
Fuente (Rubitherm 2020)
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
362 Configuracioacuten del PCM en EnergyPlus
De acuerdo al estudio bibliograacutefico de los materiales cambio fase para
ingresar los datos al software se debe definir las cantidades de temperatura de
operacioacuten identificar el punto de fusioacuten en las graacuteficas de entalpia y temperatura
de la tabla 33 conductividad teacutermica calor especifico densidades y espesor en
el elemento constructivo con el fin de determinar el flujo de calor de operacioacuten
de acuerdo al balance termodinaacutemico de la ecuacioacuten (2) A continuacioacuten se
adjunta a modo de ejemplo la figura 39 en la cual se puede ver el menuacute de
configuracioacuten
Figura 39 Configuracioacuten del PCM en el software
Fuente Elaboracioacuten Propia
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
363 Cotizacioacuten PCM RT21
La inversioacuten total del material cambio fase es de $1106679
correspondiente a 160 kg con transporte incluido Se observa que el costo de
transporte afecta considerablemente en su valor (Alemania)
Se realizoacute cotizacioacuten del material RT21 en la empresa alemana Rubitherm
se presenta en la figura 310
Figura 310 Cotizacioacuten del material RT21
Fuente (Rubitherm 2020)
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
37 Caracterizacioacuten Macro encapsulacioacuten
En esta seccioacuten la placa de macro encapsulacioacuten utilizada para el PCM
es de materialidad de aluminio veacutease figura 311 esto aumenta la transferencia
de calor en los PCM Son dos placas que estaacuten unidas entre siacute Se unen en dos
puntos centrados y se pegan en sus marcos Pueden ser utilizados para PCM
(orgaacutenico - inorgaacutenico) Por lo tanto se puede ofrecer un rango de temperatura
para una variedad de aplicaciones El grosor depende del volumen de llenado y
por lo tanto de la capacidad de almacenamiento Para el estudio se seleccionoacute
el modelo CSM105 Rubitherm el cual su espesor es de 15 mm y puede
almacenar 2 Kg de PCM por placa
Figura 311 Modulo Almacenamiento Macro encapsulacioacuten de aluminio
Fuente (Rubitherm 2020)
371 Cotizacioacuten Macro encapsulacioacuten
La inversioacuten total de la Macro encapsulacioacuten de aluminio modelo CSM105
Rubitherm es de $ 4326306 correspondiente a 150 unidades con transporte
incluido Se observa que el costo de transporte afecta considerablemente en su
valor (Alemania) Se realizoacute cotizacioacuten de los elementos de Macro encapsulacioacuten
de aluminio modelo CSM105 Rubitherm se presenta en la figura 312
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
Figura 312 Cotizacioacuten Macro encapsulacioacuten
Fuente (Rubitherm 2020)
38 Validacioacuten muro constructivo con PCM
De acuerdo a los estudios del estado de arte y conocimientos teacutecnicos se
validoacute el sistema constructivo propuesto del muro exterior en el cumplimiento de
resistencia al fuego de acuerdo al cataacutelogo de soluciones constructivas del
MINVU y de la Ordenanza General de Urbanismo y Construcciones (OGUC)
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
381 Cumplimiento de la OGUC y Resistencia al fuego
Dentro de las exigencias a cumplir por la OGUC se tiene la resistencia
al fuego en elementos constructivos seguacuten el tipo de recinto Para el caso del
muro de la vivienda en estudio se hace el siguiente anaacutelisis
De la tabla Ndeg34 seguacuten ldquodestino del edificiordquo ldquosuperficie edificada (m2)rdquo y
ldquonuacutemero de pisosrdquo se obtiene una clasificacioacuten (a b c y d) seguacuten corresponda
En el caso de estudio se tiene una vivienda de 1 piso por lo que el destino
es ldquoHabitacionalrdquo y por nuacutemero de pisos se establece una clasificacioacuten ldquodrdquo
Tabla 34 Clasificacioacuten de los edificios seguacuten su destino superficie edificada y
nuacutemero de pisos Destino del Edificio Superficie Edificada (m2) Nuacutemeros de Pisos
1 2 3 4 5 6 7 o mas
Habitacional Cualquiera d d c c b a a
Hoteles Sobre 5000 c b a a a a a
Sobre 1500 y hasta 5000 c b b b a a a
Sobre 500 y hasta 1500 c c b b a a a
Hasta 500 d c b b a a a
Oficinas Sobre 1500 c c b b b a a
Sobre 500 y hasta 1500 c c c b b b a
Hasta 500 d c c b b b a
Museos Sobre 1500 c c b b b a a
Sobre 500 y hasta 1500 c c c b b b a
Hasta 500 d c c b b b a
Clinica Hospitales y Lab Sobre 1000 c b b a a a a
Hasta 1000 c c b b a a a
Policlinicos Sobre 400 c c b b b b a
Hasta 400 d c c b b b a
Restaurante Sobre 500 b a a a a a a
Sobre 250 y hasta 500 c b b a a a a
Hasta 250 d c c b b a a
Locales Comerciales Sobre 500 c b b a a a a
Sobre 200 y hasta 500 c c b b a a
Hasta 200 d c b b b a a
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Bibliotecas Sobre 1500 b b a a a a a
Sobre 500 y hasta 1500 b b b a a a a
Sobre 250 y hasta 500 c b b b a a a
Hasta 250 d c b b a a a
Automotoras Cualquiera d c c b b b a
Edificio Estacionamiento Cualquiera d c c c b b a
Fuente (MINVU Soluciones constructivas acreditadas al fuego teacutermico y
acuacutestico 2020)
Para lograr obtener la resistencia al fuego necesaria se debe utilizar
ademaacutes la tabla 34 la cual utilizo como criterios la clasificacioacuten obtenida de la
tabla 35 y el tipo de elemento constructivo
Tabla 35 Resistencia al fuego para diferentes elementos de construccioacuten Elementos de Construccioacuten
Tipo (1) (2) (3) (4) (5) (6) (7) (8) (9)
A F-180 F-120 F-120 F-120 F-120 F-30 F-60 F-120 F-60
B F-150 F-120 F-90 F-90 F-90 F-15 F-30 F-90 F-60
C F-120 F-90 F-60 F-60 F-60 - F-15 F-60 F-30
D F-120 F-60 F-60 F-60 F-30 - - F-30 F-15
Fuente (MINVU Soluciones constructivas acreditadas al fuego teacutermico y
acuacutestico 2020) Simbologiacutea
Elementos verticales
(1) Muros cortafuego
(2) Muros zona vertical de seguridad y caja de escalera
(3) Muros caja de ascensores
(4) Muros divisorios entre unidades (hasta la cubierta)
(5) Elementos soportantes verticales
(6) Muros no soportantes y tabiques
Elementos verticales y horizontales
(7) Escaleras
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Elementos Horizontales
(8) Elementos soportantes horizontales
(9) Techumbre incluido cielo falso
Para el caso de los muros que dan al exterior de la vivienda en estudio se
considera en la categoriacutea (5) y seguacuten la clasificacioacuten obtenida de la tabla 35 (d)
se tiene un grado de resistencia al fuego F-30
Para cumplir con esta exigencia se utiliza una solucioacuten del cataacutelogo de
soluciones constructivas del MINVU la cual se presenta a continuacioacuten
Tabla 36 Tabique perimetral estructura madera en vivienda en estudio
A233014 Tabique Estructura Madera Volcanita 15 mm RF Placa
OSB 9 mm Siding Volcan 6 mm Aislanglas R122 50 mm
Elemento estaacute formado por una estructura de madera hecha con listones de pino
radiata de 2rdquo x 3rdquo en bruto Consta de 5 pie-derechos distanciados entre ejes
cada 06 m dos cadenetas distanciadas entre ejes cada 08 m una solera inferior
y otra superior Esta estructuracioacuten esta forrada por una de sus caras con una
plancha de yeso-cartoacuten ldquoVolcanita RFrdquo de 15 mm de espesor La otra cara esta
forrada con una placa de madera OSB de 9 mm de espesor y como terminacioacuten
en esta cara lleva unas fajas horizontales de fibrocemento ldquoSiding Volcanrdquo tipo
tinglado de 190 mm de ancho y 6 mm de espesor Todo el conjunto esta
atornillado a la estructura de madera Esta conformacioacuten deja espacios libres en
el interior del panel estaacuten rellenos con una manta de lana de vidrio tipo rollo libre
R122 de 50 mm de espesor de densidad media aparente de 14 kgm3 Las
dimensiones para el ensayo fue 22 de ancho x 24 de alto y 105 mm de espesor
INSTITUCION Ndeg Informe Lab Fecha Resistencia Inscripcioacuten
Volcaacuten SA 374721 IDIEM 26-06-96 F-30 2015
Fuente (MINVU Soluciones constructivas acreditadas al fuego teacutermico y
acuacutestico 2020)
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
Otra de las exigencias por parte de la OGUC es el cumplimiento de la
reglamentacioacuten teacutermica mostrado en la tabla 32 para esto se compara las
transmitancias teacutermicas exigidas con las envolventes de los elementos
constructivos de la vivienda en estudio Para el caso del muro donde se
incorporaraacute el PCM se seleccionoacute de acuerdo al listado de soluciones
constructivas del MINVU para validar la resistencia al fuego En la figura 313 se
visualiza las componentes de la envolvente del muro con PCM
Figura 313 Sistema Constructivo Muro exterior con PCM en vivienda estudio
Fuente Elaboracioacuten Propia
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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CAPITULO IV RESULTADOS Y DISCUSIOacuteN
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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En este segmento se evaluoacute el comportamiento energeacutetico de los
materiales cambio fase mediante el software Energy Plus Los materiales cambio
fase se produce dentro de placas de macro encapsulacioacuten de aluminio al interior
de los muros exteriores
Por lo tanto se observoacute el aporte energeacutetico de los materiales cambio fase
en un sistema activo de calefaccioacuten optimizando los sistemas constructivos en
la vivienda en estudio y dar respuesta a su aplicacioacuten en acondicionamiento
ambiental
41 Comportamiento Energeacuteticos de los materiales cambio fase
A continuacioacuten se comparoacute el comportamiento energeacutetico de dos sistemas
de climatizacioacuten con el aporte energeacutetico pasivo de los distintos materiales
cambio fase en una vivienda en estudio
411 Rendimiento energeacutetico de calefaccioacuten con y sin PCM
Para evaluar el comportamiento energeacutetico se definioacute la temperatura de
fusioacuten de los PCM en el rango de 18 a 22degC el aporte energeacutetico de los PCM
ayudo a mantener constante la temperatura confort de 21degC en la vivienda y
reducir los consumos energeacuteticos del sistema activo para este estudio se
escogioacute dos sistemas de climatizacioacuten caso 1 calefaccioacuten a lentildea con un η=07 y
caso 2 Climatizacioacuten por bomba de calor η=27 esta seleccioacuten se debe a que el
sistema de calefaccioacuten a lentildea es el maacutes usado en la zona genera una alta
contaminacioacuten ambiental por su combustioacuten en material particulado es el
combustible maacutes econoacutemico por unidad de energiacutea y su inversioacuten es accesible
en cambio los equipos de bomba calor tienen un mayor rendimiento energeacutetico
tiene menos impacto al medio ambiente y su inversioacuten es costosa
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
La figura 41 (a) muestra las potencias maacuteximas de disentildeo en
climatizacioacuten comparando la liacutenea base con la implementacioacuten de materiales
PCM en vivienda en estudio ubicado en Concepcioacuten Chile A traveacutes de este
anaacutelisis se identificoacute una disminucioacuten en su potencia de disentildeo de 319 (de
263 kW a un 179 kW) con respecto al caso base
Figura 41 (a) Potencia maacutexima disentildeo con y sin PCM en vivienda estudio
Fuente Elaboracioacuten Propia
En la figura 41 (b) y (c) se realizoacute la comparacioacuten de distintos tipos de
materiales PCM con un rango de temperatura de fusioacuten entre 18 degC a 22degC para
determinar cuaacutel es maacutes eficiente en funcioacuten de las variables de disentildeo
emplazamientos y propiedades teacutermicas
Para el primer caso se evaluoacute el sistema de calefaccioacuten a lentildea y el rol
clave de estos materiales PCM es reducir el consumo energeacutetico y el kgCO2
generado por la combustioacuten En los resultados se visualizoacute que el material cambio
fase optimo corresponde al PCM 22HC arrojando una reduccioacuten del consumo
energeacutetico de 341 (de 3694 kWh a un 2434 kWh) en comparacioacuten al caso base
CocinaDormitorioSecundario
DormitorioPrimario
Living-Comedor
Bantildeo
Sin PCM 03 037 047 129 02
Con PCM 017 027 033 087 015
0
02
04
06
08
1
12
14
Dem
ada
En
erge
tica
(k
W)
Potencia Maxima de Disentildeo
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Para el segundo caso se evaluoacute un sistema de bomba de calor multisplit
al igual que en el caso anterior el material optimo corresponde al PCM 22HC se
observoacute una disminucioacuten de consumo energeacutetico de un 344 (de 688 kWh a un
451 kWh) en comparacioacuten al caso base
Para ambos casos se observoacute una notable reduccioacuten de los consumos
energeacuteticos en estacioacuten friacutea
Figura 41 (b) Caso 1 - Consumo energeacutetico en calefaccioacuten Lentildea con y sin
PCM en vivienda estudio
Fuente Elaboracioacuten Propia
Ene Feb Mar Abr May Jun Jul Ago Sept Oct Nov Dic
Sin PCM 75 79 138 267 477 604 626 498 408 271 147 104
PCM 18 37 34 73 188 424 579 602 440 347 185 85 60
PCM 21 31 27 64 167 397 547 570 405 313 161 71 53
PCM 22 13 11 39 138 354 506 528 357 275 130 49 34
0
200
400
600
800
1000
Co
nsu
mo
Co
mb
ust
ible
(k
Wh
)
Consumo Combustible Lentildea Mensual
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
Figura 41 (c) Caso 2 - Consumo energeacutetico Bomba de calor con y sin PCM en
vivienda estudio
Fuente Elaboracioacuten Propia
Se identificoacute que la temperatura de fusioacuten maacutes baja de los PCM no es
viable en la optimizacioacuten del sistema pasivo en climatizacioacuten podriacutea ser explicado
por las variables temperatura exteriores dependiendo de las condiciones
climaacuteticas por su emplazamiento Por ejemplo de acuerdo con las cargas
maacuteximas de calefaccioacuten se debe a que la energiacutea en invierno aumento
estableciendo las temperaturas de confort teacutermico esta es una variable de
seleccioacuten del PCM que serviraacute para optimizar el disentildeo en funcioacuten del confort
teacutermico disminuyendo demanda energeacutetica perdidas caloriacuteficas y consumos
energeacuteticos de sistemas de calefaccioacuten activos
Seguacuten el estado de arte otro punto importante a comentar es tener en
cuenta que las curvas de entalpia y temperatura tanto para refrigeracioacuten y
calefaccioacuten deben ser lo maacutes cercana posible de lo contrario se produciriacutea una
Ene Feb Mar Abr May Jun Jul Ago Sept Oct Nov Dic
Sin PCM 14 15 26 50 89 112 116 92 78 50 27 19
PCM 18 7 6 14 35 79 107 112 82 64 34 16 11
PCM 21 57 5 12 31 74 101 106 75 58 30 13 10
PCM 22 23 2 72 256 66 936 976 662 511 24 9 63
0
20
40
60
80
100
120
Co
nsu
mo
Co
mb
ust
ible
(k
Wh
)Consumo Combustible Bomba de calor Mensual
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
histeacuteresis o sub enfriamiento y afectariacutea considerablemente el rendimiento del
PCM en su aplicacioacuten
Para la implementacioacuten de sistemas activos sustentables en climatizacioacuten
se demuestra en el estudio que el aporte energeacutetico de los PCM es mantener la
temperatura constante dentro de los espacios interiores y ayudan tambieacuten a bajar
considerablemente los consumos energeacuteticos y es un aporte al medio ambiente
Para sistemas pasivos la eficiencia en los PCM en los muros exteriores
podriacutea incrementarse sugiriendo que haya acristalamiento a base de muros
cortina durante el diacutea lleva al PCM al proceso de cambio de fase de manera
estable en el tiempo debido a su almacenamiento teacutermico (F Ascione RF De
Masi F de Rossi S Ruggiero amp GP Vanoli 2016)
Ademaacutes la disminucioacuten de un 319 en potencia maacutexima de disentildeo para
equipos de climatizacioacuten arrojado en este estudio y un promedio de 33 en
reduccioacuten en consumo energeacutetico en los dos casos de climatizacioacuten propuestos
se puede inferir que los materiales cambio fase es capaz de contribuir a eficiencia
energeacutetica
412 Inversioacuten inicial y costos operativos en sistemas de calefaccioacuten con y sin PCM
Se hizo un anaacutelisis de los principales costos asociados a la adquisicioacuten de
los equipos y operacioacuten de eacutestos No se consideraraacute valor residual o de
salvamiento Para poder comparar la vida uacutetil a usar seraacute de 10 antildeos
Al obtener los valores de consumos energeacuteticos en las simulaciones de
los casos propuestos se visualiza una aproximacioacuten en demostrar el beneficio
econoacutemico que aporta los PCM a los sistemas activos Vease en figura 42
En el caso 1 sistema de calefaccioacuten a lentildea se observoacute una disminucioacuten
en los costos de operacioacuten anual de un 341 (de $88656 a un $58416)
($ 24 por kWh) (BES 2017) y en el caso 2 sistema de climatizacioacuten por bomba
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
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Diego Sarabia Meacutendez
calor se observoacute una disminucioacuten en los costos de operacioacuten anual de un 344
(de $72928 a un $47795) ($ 106 por kWh) (BES 2017)
Figura 42 Inversioacuten inicial y costos operativos sistema climatizacioacuten con y sin
PCM en vivienda estudio
Fuente Elaboracioacuten Propia
42 Propuesta de aplicacioacuten PCM a caso base como sistema de actualizacioacuten
Seguacuten los resultados del comportamiento energeacutetico de la vivienda en
estudio con y sin PCM Se identificoacute un enfoque diferente e innovador para
sistemas pasivos de acondicionamiento ambiental o el aporte energeacutetico
significativo de los PCM a los sistemas activos para mantener su temperatura
constante en su operacioacuten
Una correcta ubicacioacuten del PCM a los muros exteriores de una vivienda en
estudio mostro significativamente un ahorro de energiacutea con respecto al caso
base esto se debe a la colocacioacuten del PCM en la particioacuten interna en los muros
exteriores emplazamiento de la vivienda tipo de encapsulacioacuten y orientacioacuten de
los muros con respecto al sol
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
Sin PCM PCM 22HC Inversion
Mil
es d
e p
eso
sInversion inicial y costos operativos en sistema
climatizacion
Caso 1 Sistema Calefaccion Lentildea Caso 2 Sistemas Bomba de Calor
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
El tipo de encapsulacioacuten de acuerdo al panel constructivo mostro que debe
ser macro encapsulacioacuten con materialidad de aluminio para aumentar la
conductividad teacutermica de los materiales cambio fase que era una de sus
desventajas teacutecnicas
A traveacutes de este anaacutelisis se identificoacute que material de cambio de fase se
debe seleccionar de acuerdo a la aplicacioacuten pasiva en vivienda en estudio
considerando variables de seleccioacuten como cineacuteticas fiacutesicas quiacutemicas teacutermicas
y econoacutemicas
Finalmente se observoacute que es posible maximizar la eficiencia de la
energiacutea en mantener la temperatura constante en los espacios interiores con el
aporte energeacutetico de los sistemas pasivos cuando se usa materiales cambio fase
en los muros exteriores de la vivienda en estudio Ademaacutes el PCM con
temperatura de fusioacuten cercana a la temperatura confort logra un mayor
rendimiento energeacutetico seguacuten su emplazamiento y reduce considerablemente los
costos de operacioacuten de un sistema climatizacioacuten activo aportaacutendole energiacutea
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
CONCLUSIONES
El trabajo reciente propone un anaacutelisis de optimizacioacuten del PCM a una
vivienda en estudio como una aplicacioacuten de actualizacioacuten a sistemas pasivos y
se evaluoacute el comportamiento energeacutetico de dos sistemas activos de climatizacioacuten
mediante el uso del software EnergyPlus
En este estudio se describe la seleccioacuten de materiales de cambio fase a
utilizar la encapsulacioacuten adecuada en base a la aplicacioacuten y propiedades de
disentildeo
En el anaacutelisis del comportamiento energeacutetico de la vivienda en estudio se
observoacute que el PCM adecuado seguacuten la temperatura de fusioacuten estaacute en el rango
de 18 a 22 degC cercano a la temperatura de confort teacutermico Para este estudio se
escogioacute el PCM 22HC ya que su comportamiento es ideal para la vivienda en
estudio arrojando un 319 (de 263 kW a un 179 kW) de reduccioacuten de
potencias maacuteximas de disentildeo en climatizacioacuten De acuerdo al PCM escogido se
analizoacute el comportamiento del consumo energeacutetico en dos sistemas de
climatizacioacuten Caso 1 Sistema calefaccioacuten a lentildea mostro una reduccioacuten del
consumo energeacutetico de 341 (de 3694 kWh a un 2434 kWh) Para el segundo
caso se evaluoacute un sistema de bomba de calor multisplit al igual que en el caso
anterior el material optimo corresponde al PCM 22HC se observa una
disminucioacuten de consumo energeacutetico de un 344 (de 688 kWh a un 451 kWh) en
comparacioacuten al caso base lo que implica una notable reduccioacuten de los consumos
energeacuteticos en la estacioacuten friacutea Ademaacutes junto con los valores de consumo
energeacutetico se evaluoacute los costos de operacioacuten anual arrojando una disminucioacuten
promedio de 34 debido al aporte de los PCM
En general estos resultados sostienen firmemente que es posible mejorar
la eficiencia del ahorro energeacutetico cuando los PCM se instala en los muros
exteriores maximizando los ahorros energeacuteticos Por lo tanto para lograr la
optimizacioacuten de la envolvente de la vivienda con aplicacioacuten PCM la temperatura
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
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de fusioacuten fue de 22 deg C y el macro encapsulamiento es de material de aluminio
mejorando su transmitancia teacutermica del flujo de calor en los paneles
constructivos dando como resultado una adecuada actualizacioacuten a la aplicacioacuten
y a la instalacioacuten de los PCM a la vivienda en estudio ubicada en Concepcioacuten
Chile
Los costos de implementacioacuten en la tecnologiacutea pasiva como los PCM tiene
un elevado valor debido al costo del transporte (Alemania) se podriacutea justificar
encargando por mayor estos insumos y aplicarlo a un lote de viviendas
Es importante aplicar el PCM optimizado considerando el enfoque y
variables de disentildeo como la condicioacuten climaacutetica temperatura de fusioacuten de PCM
encapsulamiento y irradiacioacuten solar
La implementacioacuten de esta tecnologiacutea demuestra que aporta en la
reduccioacuten de material particulado en zonas criacuteticas en contaminacioacuten y las
emisiones de CO2 aportando al medio ambiente
Se deberaacute tener en cuenta que las curvas de entalpia y temperatura de los
PCM tanto para refrigeracioacuten y calefaccioacuten deben ser lo maacutes cercana posible de
lo contrario se produciriacutea una histeacuteresis o subenfriamiento y afectariacutea
considerablemente el rendimiento del PCM en su aplicacioacuten
Como investigacioacuten adicional queda por explorar la optimizacioacuten de PCM
aplicado a paredes exteriores con persianas de acristalamiento o invernaderos
adosados al poseer mayor captacioacuten de energiacutea solar tendraacute un mayor
almacenamiento energeacutetico y retraso teacutermico en los muros aplicado con PCM y
obtener una segmentacioacuten de los datos climaacuteticos por zonas para investigar el
comportamiento energeacutetico en aplicaciones pasivas
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
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Diego Sarabia Meacutendez
IacuteNDICE DE CONTENIDOS
AGRADECIMIENTOS 1
RESUMEN 2
ABSTRACT 4
IacuteNDICE DE CONTENIDOS 6
INDICE DE FIGURAS 9
INDICE DE TABLAS 11
INTRODUCCION 12
CAPITULO I ENUNCIADO DE LA INVESTIGACIOacuteN 15
11 Planteamiento del problema 16
12 Preguntas de investigacioacuten 19
13 Hipoacutetesis 19
14 Objetivos 20
142 Objetivos especiacuteficos 20
CAPITULO II MARCO TEOacuteRICO 21
21 Marco Teoacuterico 22
22 Materiales con cambio de fase (PCM) 22
221 Funcionamiento 23
222 Propiedades 24
223 Almacenamiento de energiacutea teacutermica 25
224 Clasificacioacuten 26
2241 PCM inorgaacutenicos sales hidratadas 27
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2242 PCM orgaacutenicos parafinas aacutecidos grasos y mezclas orgaacutenicas 29
22421 Parafinas 31
22422 Aacutecidos Grasos 31
22423 Mezclas euteacutecticas 32
23 Criterios de seleccioacuten de los Materiales con Cambio se Fase 33
24 Vida uacutetil del material cambio fase 34
25 Aplicacioacuten en la construccioacuten 35
26 Encapsulacioacuten 37
261 Microcaacutepsulas 38
262 Macrocaacutepsulas 39
CAPITULO III MEacuteTODOS Y METODOLOGIacuteA 40
31 Herramienta de simulacioacuten de energiacutea 41
32 Descripcioacuten Vivienda en estudio 43
321 Meacutetodo de zona en software EnergyPlus 46
33 Datos meteoroloacutegicos 47
34 Jornadas de ocupacioacuten 48
35 Configuracioacuten envolvente por elemento y sistemas de climatizacioacuten 49
36 Caracterizacioacuten PCM 51
361 Seleccioacuten de Materiales Cambio Fase 52
362 Configuracioacuten del PCM en EnergyPlus 54
363 Cotizacioacuten PCM RT21 55
37 Caracterizacioacuten Macro encapsulacioacuten 56
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371 Cotizacioacuten Macro encapsulacioacuten 56
38 Validacioacuten muro constructivo con PCM 57
381 Cumplimiento de la OGUC y Resistencia al fuego 58
CAPITULO IV RESULTADOS Y DISCUSIOacuteN 62
41 Comportamiento Energeacuteticos de los materiales cambio fase 63
411 Rendimiento energeacutetico de calefaccioacuten con y sin PCM 63
412 Inversioacuten inicial y costos operativos en sistemas de calefaccioacuten con y
sin PCM 67
42 Propuesta de aplicacioacuten PCM a caso base como sistema de
actualizacioacuten 68
CONCLUSIONES 70
REFERENCIAS 72
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9
Diego Sarabia Meacutendez
INDICE DE FIGURAS
Figura 21 Diagrama de proceso de cambio de fase Hielo ndash Vapor 23
Figura 22 Clasificacioacuten de los Materiales Cambio Fase 26
Figura 23 Estabilizacioacuten de la temperatura interior de un edificio por el efecto
de la inercia teacutermica 36
Figura 24 Espesor requerido de distintos materiales Vs Energiacutea termina 36
Figura 25 Microcaacutepsulas 38
Figura 26 Caacutepsulas de macro PCM (Contenedor plano Esfera Placas de
barra doble) 40
Figura 31 Descripcioacuten Vivienda en estudio 44
Figura 32 Modelo de zona en casa de estudio 46
Figura 33 Zona y sub-superficie de vivienda en estudio 47
Figura 34 Configuracioacuten datos meteoroloacutegico 48
Figura 35 Planilla de uso horario de un recinto 49
Figura 36 Planilla configuracioacuten envolvente por elemento 50
Figura 37 Planilla configuracioacuten rango de temperatura confort teacutermico 51
Figura 38 Planilla configuracioacuten del tipo de sistema de climatizacioacuten 51
Figura 39 Configuracioacuten del PCM en el software 54
Figura 310 Cotizacioacuten del material RT21 55
Figura 311 Modulo Almacenamiento Macro encapsulacioacuten 56
Figura 312 Cotizacioacuten Macro encapsulacioacuten 57
Figura 313 Sistema Constructivo Muro exterior con PCM en vivienda estudio
61
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Diego Sarabia Meacutendez
Figura 41 (a) Potencia maacutexima disentildeo con y sin PCM en vivienda estudio 64
Figura 41 (b) Caso 1 - Consumo energeacutetico en calefaccioacuten Lentildea con y sin
PCM en vivienda estudio 65
Figura 41 (c) Caso 2 - Consumo energeacutetico Bomba de calor con y sin PCM
en vivienda estudio 66
Figura 42 Inversioacuten inicial y costos operativos sistema climatizacioacuten con y sin
PCM en vivienda estudio 68
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Diego Sarabia Meacutendez
INDICE DE TABLAS
Tabla 21 Ventajas e inconvenientes de los PCM inorgaacutenicos 28
Tabla 22 Temperatura de fusioacuten de algunas sales hidratadas 29
Tabla 23 Ventajas e inconvenientes de los PCM orgaacutenicos 30
Tabla 24 Temperatura de fusioacuten de algunas parafinas 31
Tabla 25 Temperatura de fusioacuten de algunos aacutecidos grasos 32
Tabla 26 Clasificacioacuten de los PCMs 32
Tabla 27 Ventajas e inconvenientes de las microcapsulas 38
Tabla 28 Ventajas e inconvenientes de las Macrocaacutepsulas 39
Tabla 31 Resumen superficies de los distintos espacios vivienda en estudio
44
Tabla 32 Cumplimiento de la envolvente elementos constructivos de la
vivienda en estudio 44
Tabla 33 Especificaciones teacutecnicas de PCM a utilizar 52
Tabla 34 Clasificacioacuten de los edificios seguacuten su destino superficie edificada y
nuacutemero de pisos 58
Tabla 35 Resistencia al fuego para diferentes elementos de construccioacuten 59
Tabla 36 Tabique perimetral estructura madera en vivienda en estudio 60
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Diego Sarabia Meacutendez
INTRODUCCION
Debido al avance de la ciencia y la tecnologiacutea la calidad de vida y los
sistemas de produccioacuten en la industria han mejorado lo que ha aumentado el
consumo mundial de energiacutea en paiacuteses industrializados y las economiacuteas
emergentes Este aumento en el consumo de energiacutea tiene efectos nocivos sobre
el medio ambiente como el aumento de las emisiones de gases a la atmoacutesfera
entre otros Por lo tanto los paiacuteses estaacuten promoviendo cada vez maacutes nuevas
poliacuteticas energeacuteticas y promoviendo dos tipos de acciones para reducir las
emisiones entre otras aumentar la proporcioacuten de energiacutea renovable y promover
medidas de ahorro y eficiencia energeacutetica Debido a las crecientes
preocupaciones sobre el consumo de energiacutea se necesita urgentemente maacutes
investigacioacuten
Entre las medidas de eficiencia energeacutetica surge la necesidad de estudiar
el uso de energiacutea solar a traveacutes de la aplicacioacuten de materiales de cambio de fase
(PCM seguacuten sus siglas en ingleacutes Phase Change Materials) Estudios recientes
sobre materiales de cambio de fase han demostrado que hay varios aspectos
para mejorar en la aplicacioacuten y caracterizacioacuten de estos materiales (Anisur
2013)
Actualmente el sector de la construccioacuten contribuye considerablemente al
consumo total de energiacutea y las emisiones de gases de efecto invernadero a la
atmoacutesfera Los edificios consumen maacutes del 40 de la energiacutea primaria del
mundo que es responsable del 30 de las emisiones de gases de efecto
invernadero (Thorpe 2011)
A nivel local el sector residencial es responsable de las altas demandas
energeacuteticas equivalente a 23 del consumo energeacutetico nivel paiacutes Del parque
habitacional existente en Chile 75 fue construido sin consideraciones teacutermicas
y de eficiencia energeacutetica dicha situacioacuten provoca que el usuario asuma el costo
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
del consumo energeacutetico en calefaccioacuten y refrigeracioacuten para mantener la vivienda
en zona confort (Wegertseder 2015)
Tradicionalmente el consumo de energiacutea se reduce mediante el uso de
aislamiento teacutermico de alta calidad en la envolvente de un edificio para reducir la
transferencia de calor entre el interior y exterior (Zhou D Tian Y Qu Y amp
Chen Y K 2016) Un aumento en la eficiencia de los sistemas de calefaccioacuten
ventilacioacuten y aire acondicionado (HVAC) tambieacuten ha sido responsable de una
reduccioacuten en el consumo de energiacutea sin embargo las mejoras en la eficiencia
energeacutetica no deben limitarse a estos enfoques
Un estudio de investigacioacuten describioacute que el aumento de la inercia teacutermica
del edificio reduce la cantidad de energiacutea utilizada para calefaccioacuten y refrigeracioacuten
(Ling H Chen C Qin H Wei S Lin J Li N) ya que reduce las
fluctuaciones en la temperatura interior ayudando a mantener el espacio interno
dentro del rango de confort teacutermico y reduciendo la necesidad de utilizar sistemas
de aire acondicionado
El almacenamiento de energiacutea se puede implementar mediante calor
sensible aumentando y disminuyendo la temperatura de los recubrimientos de
edificios o mediante calor latente Con la inclusioacuten de materiales de cambio de
fase conduce a una mayor densidad de energiacutea teacutermica Los materiales de
cambio de fase estaacuten asociados con el almacenamiento de calor latente (LHS)
con su principal ventaja de tener una alta densidad de almacenamiento a
temperatura constante Por lo tanto los materiales de cambio de fase han
demostrado que su almacenamiento de energiacutea teacutermica latente se puede utilizar
para calentar y enfriar a sistemas de construccioacuten pasivos o activos (B Zalba J
Marin L Cabeza y H Mehling 2003)
Investigaciones maacutes recientes han estudiado sus propiedades fiacutesicas
quiacutemicas cineacuteticas y especialmente teacutermicas para seleccionar el material de
cambio de fase maacutes adecuado para la presente investigacioacuten (Ramiacuterez A
Santos A amp Gonzaacutelez N 2012)
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Diego Sarabia Meacutendez
El intereacutes sostenido en comprender la importancia de los materiales de
cambio fase llevoacute a investigar el disentildeo del elemento constructivo con los PCM
incorporados para reducir la demanda energeacutetica de la vivienda en estudio y
contribuir a mejoras de condiciones de habitualidad Aquiacute se utilizoacute la
herramienta simulacioacuten Energy Plus para evaluar el rendimiento teacutermico de una
vivienda en estudio ubicada en la ciudad de Concepcioacuten de la regioacuten del Biacuteo-Biacuteo
Chile
En este estudio se demostroacute que es posible maximizar la eficiencia del
ahorro de energiacutea en sistemas activos de climatizacioacuten al optimizar el PCM
aplicado a las paredes exteriores Se identificoacute que los materiales de cambio de
fase son una contribucioacuten a la implementacioacuten del acondicionamiento pasivo
debido a su gran almacenamiento energeacutetico
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CAPITULO I ENUNCIADO DE LA INVESTIGACIOacuteN
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11 Planteamiento del problema
En la actualidad las necesidades energeacuteticas a nivel mundial han
aumentado de manera significativa por distintas razones Hoy en diacutea los edificios
consumen maacutes del 40 de la energiacutea primaria del mundo que son responsables
del 30 de las emisiones de gases de efecto invernadero (Thorpe 2011)
A nivel local el sector residencial es responsable de las altas demandas
energeacuteticas equivalente a 23 del consumo energeacutetico nivel paiacutes Del parque
habitacional existente en Chile 75 fue construido sin consideraciones teacutermicas
y de eficiencia energeacutetica dicha situacioacuten provoca que el usuario asuma el costo
del consumo energeacutetico para mantener la vivienda en zona confort (Wegertseder
2015)
Se estima que el sector de la construccioacuten es el responsable de generar
el 33 del total de emisiones de gases de efecto invernadero (MINVU 2018)
A traveacutes de un estudio realizado el antildeo 2019 por la Caacutemara Chilena de
la Construccioacuten sobre los usos de la energiacutea en el sector residencial declara que
el 53 del consumo total de la vivienda chilena es destinado a calefaccioacuten (CDT
2019)
Una forma eficiente de reducir el consumo de energiacutea para calefaccioacuten o
refrigeracioacuten en los espacios es aumentar la inercia teacutermica de un edificio De
esta manera las temperaturas interiores son menos sensibles a las variaciones
de la temperatura exterior y se requiere menos energiacutea para mantenerlas en el
rango de confort teacutermico Un edificio con una estructura de marco de concreto
tendraacute una mayor inercia teacutermica que un edificio con una estructura de marco de
acero o madera (Soares N Costa J J Gaspar A R amp Santos P 2013) Una
forma de aumentar la inercia teacutermica de un edificio es utilizar el almacenamiento
de calor latente (LHS) que es la energiacutea que almacena un material cuando sufre
un cambio de fase (Akeiber H Nejat P Majid M Z A Wahid M A
Jomehzadeh F Zeynali Famileh IZaki S A 2016)
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
El material de cambio de fase (PCM) es un tipo de material que
experimenta un cambio de fase en este caso de liacutequido a soacutelido a una
temperatura dentro del rango de confort teacutermico Este tipo de material tiene la
capacidad de almacenar grandes cantidades de energiacutea en comparacioacuten con los
materiales de construccioacuten tradicionales que solo almacenan calor sensible Por
ejemplo una pared que contiene PCM con 25 mm de espesor almacena
aproximadamente la misma energiacutea que una pared de concreto con 420 mm de
espesor (Al-Saadi S N amp Zhai Z 2013) Los PCM tienen un gran potencial
para aumentar la inercia teacutermica de un edificio debido a su gran LHS por lo tanto
son especialmente uacutetiles en edificios de construccioacuten livianas en seco como
estructuras reticulares en madera o acero galvanizados (Marin P Saffari M de
Gracia A Zhu X Farid M M Cabeza L F amp Ushak S 2016) Esto permite
que el edificio tenga menor peso un aacuterea uacutetil mayor y auacuten mantenga una alta
inercia teacutermica
Cuando los PCM cambian su estado de liacutequido a soacutelido liberan calor
latente y cuando cambian de soacutelido a liacutequido absorben calor latente Cuando este
proceso ocurre a una temperatura entre 19-27 degC el material contribuye a
aumentar el confort teacutermico porque ayuda a mantener la temperatura interna
dentro de este rango Durante el diacutea cuando hay demasiadas ganancias de
radiacioacuten solar este material cambia su fase de soacutelido a liacutequido absorbiendo
calor y evitando un aumento significativo de la temperatura interior Por la noche
cuando la temperatura exterior baja el material cambia su fase de liacutequido a
soacutelido liberando calor y evitando una gran disipacioacuten de energiacutea en el interior de
la vivienda (Jamil H Alam M Sanjayan J amp Wilson J 2017)
Durante el verano puede ocurrir un sobrecalentamiento en el muro y
hacer que se use un PCM que se derrita a altas temperaturas (alrededor de
26 degC) ya que evitaraacute que la temperatura de una habitacioacuten elevaacutendose por
encima del rango de confort teacutermico Si el objetivo es la estabilizacioacuten de la
temperatura interior en la zona de confort un PCM que se derrita a 23 degC deberiacutea
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
18
Diego Sarabia Meacutendez
ser la mejor opcioacuten En el invierno puede ser necesario evitar que la temperatura
de una habitacioacuten baje por debajo del rango de confort teacutermico y en este caso
se recomienda un PCM que solidifique alrededor de 21 degC (Soares N Gaspar
A R Santos P amp Costa J 2014)
Esta tecnologiacutea no solo tiene el potencial de ahorrar cantidades
considerables de energiacutea y emisiones de CO2 sino que tambieacuten se puede utilizar
para aprovechar los precios pico de electricidad utilizando las unidades de aire
acondicionado cuando hay una menor demanda en la red eleacutectrica Por ejemplo
en invierno la unidad de aire acondicionado (AC) podriacutea funcionar durante la
noche produciendo calor que seriacutea absorbido por el tablero PCM y luego liberado
por eacutel durante el diacutea cuando los precios de la electricidad son mucho maacutes altos
(Devaux P amp Farid M 2017) Esto tambieacuten como la ventaja de evitar el ruido y
las corrientes de aire causadas por las unidades de CA durante las horas de
trabajo de una oficina
Aunque esta tecnologiacutea tiene un gran potencial en almacenar energiacutea
con respecto a otros materiales existe el problema de la baja transferencia de
calor porque estos materiales generalmente tienen baja conductividad teacutermica lo
que hace que la absorcioacuten y liberacioacuten de calor por parte del PCM sea mucho
maacutes difiacutecil (Fan L amp Khodadadi J M 2011)
Para aprovechar la gran capacidad de almacenamiento de calor latente
la temperatura de una zona debe estar cerca de la temperatura de cambio de
fase de lo contrario un PCM solo almacena calor sensible que es insignificante
en comparacioacuten al calor latente (Chwieduk 2013)
Investigadores concluyen sobre acondicionamiento teacutermico en
envolventes de viviendas utilizando materiales de cambio de fase que la
implementacioacuten adecuada de los PCM en una edificacioacuten puede un 35 reducir
el consumo energeacutetico y por lo tanto es posible usar equipos de
acondicionamiento teacutermico de menor potencia e incluso prescindir de ellos (Bello
R E Muntildeoz M M Vasco C 2015)
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
19
Diego Sarabia Meacutendez
En el desarrollo de aplicaciones para los PCM un investigador disentildeoacute un
muro con material de cambio de fase y para probar su funcionamiento utilizoacute dos
habitaciones ideacutenticas En la primera habitacioacuten los muros teniacutean un enlucido de
yeso normal y en la segunda habitacioacuten el muro poseiacutea una placa de yeso
revestido con micro encapsulacioacuten de PCM (50 butil estearato y 48 palmitato
de butilo) Resultoacute que la habitacioacuten con material cambio de fase una reduccioacuten
energeacutetica de 22 (Scalat S Banu D Hawes D Paris J Haghighata F
Feldman D 1996)
Los investigadores a nivel mundial han creado estrategias para
solucionar el consumo energeacutetico En Chile auacuten no se analiza en forma
sistemaacutetica considerando que seriacutea de gran ayuda para disminuir el consumo
energeacutetico residencial
Por todo lo anteriormente mencionado se establece que esta
investigacioacuten estaraacute orientada al estudio de materiales con cambio de fase
simulando su comportamiento teacutermico de una vivienda en estudio ubicada en la
ciudad de Concepcioacuten de la regioacuten del Biacuteo-Biacuteo utilizando el software Energy Plus
12 Preguntas de investigacioacuten
iquestEs posible disminuir la demanda energeacutetica de una vivienda en estudio
incorporando materiales con cambio de fase
iquestQueacute material PCM es conveniente utilizar en los muros de la vivienda en
estudio
iquestQueacute comportamiento tendraacuten los PCM en la simulacioacuten
13 Hipoacutetesis
Se puede mejorar la habitabilidad y reducir un 30 la demanda energeacutetica
de una vivienda en estudio en la ciudad de Concepcioacuten mejorando el
almacenamiento teacutermico de sus muros incorporando material con cambio de fase
(PCM)
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
20
Diego Sarabia Meacutendez
14 Objetivos
141 Objetivo general
Proponer una metodologiacutea de evaluacioacuten en funcioacuten de la realidad local
que permitiraacute analizar la potencialidad en aplicar los materiales cambio de fase
en las construcciones chilenas contribuyendo a mejorar las condiciones de
habitabilidad
142 Objetivos especiacuteficos
Identificar materiales con cambio de fase (PCM) utilizados como estrategia
de calefaccioacuten pasiva en edificacioacuten Con la validacioacuten de todos los
reglamentos en Chile
Definir el sistema constructivo del muro exterior en cuanto a la ubicacioacuten
del PCM
Definir materiales con cambio de fase en relacioacuten de sus propiedades
teacutermicas para realizar simulacioacuten energeacutetica
Definir metodologiacutea de caacutelculo y estimar ahorros energeacuteticos para la zona
en funcioacuten del material base
Obtener simulaciones de demanda energeacutetica para la vivienda en estudio
con y sin materiales de cambio de fase incorporados en sus muros
mediante el software Energy Plus
Optimizar el disentildeo de la solucioacuten constructiva con PCM en relacioacuten a los
datos de la zonificacioacuten
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
21
Diego Sarabia Meacutendez
CAPITULO II MARCO TEOacuteRICO
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
22
Diego Sarabia Meacutendez
21 Marco Teoacuterico
A continuacioacuten se nombraraacute conceptos esenciales que aborda la
investigacioacuten tales como aislacioacuten teacutermica conductividad teacutermica confort
teacutermico y Inercia teacutermica
Cabe de destacar que la inercia teacutermica juega un papel importante en los
sistemas de calefaccioacuten pasiva ya que el retraso teacutermico puede ser mayor o
menor dependiendo el espesor y materialidad
La inercia teacutermica permite ir liberando el calor acumulado en los elementos
compuestos por materiales pesados en la vivienda de manera tal que durante
la noche cuando la temperatura desciende esta baja sea amortiguada por el calor
cedido
En el verano la envolvente se encuentra expuesta a la radiacioacuten solar y al
soleamiento por lo tanto debe ser capaz de almacenar el calor obtenido desde
el exterior y asiacute evitar que la temperatura en el interior del recinto sea elevada
durante el diacutea generando una peacuterdida de confort (CCHC 2010)
22 Materiales con cambio de fase (PCM)
Un PCM es una sustancia capaz de almacenar y liberar energiacutea del medio
que le rodea manteniendo la temperatura constante durante la transferencia de
calor Este intercambio de energiacutea se denomina calor latente de un material y se
produce durante el cambio de fase del mismo El intereacutes de estos materiales es
que durante el cambio de fase la temperatura media se mantiene constante
mientras el material absorbe o libera energiacutea durante la etapa de fusioacuten o
solidificacioacuten del material Esto supone una mayor densidad energeacutetica en este
proceso respecto a un intercambio por calor sensible
En una investigacioacuten sobre PCM afirma que estos mediante su calor
latente de fusioacuten almacenan de 5 a 14 veces maacutes calor por unidad de volumen
que materiales por almacenamiento de calor sensible como el agua albantildeileriacutea
o rocas entre otras (Sharma 2009)
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
23
Diego Sarabia Meacutendez
Para la investigacioacuten se estudioacute materiales cambio fase de estado liacutequido-
solido ya que aunque la cantidad de energiacutea almacenada es inferior que entre
otros cambios de estado (solido-gas) la variacioacuten de volumen del estado es
menor
221 Funcionamiento
La mejor forma para explicar el funcionamiento de estos materiales es
estudiando el proceso de cambio de fase del agua en estado liacutequido el agua va
aumentando su temperatura progresivamente hasta alcanzar los 100degC Una vez
alcanza esta temperatura empieza su cambio de estado en el cual absorberaacute
calor pero mantendraacute una temperatura constante de 100degC hasta que finalice su
cambio de fase y todo el liacutequido se haya convertido en vapor De manera inversa
ocurre cuando la temperatura del agua disminuye hasta alcanzar los 0degC En este
caso el agua empezaraacute a liberar calor y durante este proceso mantendraacute su
temperatura constante en 0degC hasta que complete su solidificacioacuten y todo el
liacutequido se haya convertido en hielo (B Zalba J Marin L Cabeza y H Mehling
2003)
En la Figura 21 se observa coacutemo la temperatura se mantiene constante
en 0degC formando una recta horizontal durante su cambio de fase y posteriormente
en 100degC hasta que se convierte en vapor
Figura 21 Diagrama de proceso de cambio de fase Hielo ndash Vapor
Fuente (B Zalba J Marin L Cabeza y H Mehling 2003)
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
24
Diego Sarabia Meacutendez
Del mismo modo actuacutean los PCM cada uno tiene su propia temperatura
de cambio de fase y gracias a las variaciones de temperatura entre el diacutea y la
noche ocurren los ciclos de fusioacuten y solidificacioacuten de estos materiales resultando
en la absorcioacuten maacutexima de energiacutea durante el diacutea cuando las temperaturas
suben y la disipacioacuten de eacutesta en la noche cuando la temperatura ambiente baja
La energiacutea utilizada para cambiar el estado del material dado que la temperatura
de cambio de fase es aproximada a la temperatura ambiente de confort deseada
daraacute lugar a un clima interior maacutes estable y coacutemodo asiacute como tambieacuten reduciraacute
las cargas de enfriamiento y calefaccioacuten en horas pico especialmente en
aquellas edificaciones con baja masa teacutermica (S E Kalnaes and B P Jelle
2015)
222 Propiedades
A continuacioacuten se describiraacuten las propiedades maacutes relevantes que definen un
material de cambio de fase (Oroacute 2012)
a) Propiedades Termofisica
Temperatura de fusioacuten (Tf) en el rango de funcionamiento seguacuten la
aplicacioacuten
Alto calor latente de fusioacuten (ΔHf) por unidad de volumen
Alto calor especiacutefico para proporcionar calor sensible adicional
significativo
Alta conductividad teacutermica en fase soacutelida y liacutequida (buena transferencia de
calor)
Baja variacioacuten de volumen en el cambio de fase y baja presioacuten de vapor a
la temperatura de funcionamiento
Fusioacuten congruente del material de cambio de fase con cada ciclo de
solidificacioacutenfusioacuten con el miacutenimo sub-enfriamiento
Cambio de fase ciclo continuo con termino de vida uacutetil
Alta densidad
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
b) Propiedades quiacutemicas
Ciclo de solidificacioacutenfusioacuten reversible y completo
Baja degradacioacuten despueacutes de un elevado nuacutemero de ciclos de
fusioacutensolidificacioacuten
No corrosivo para los materiales encapsulados
No toacutexico no inflamable y no explosivo
c) Econoacutemicas
Abundante y disponible
Rentable en relacioacuten al ahorro energeacutetico y costos del material
Faacutecil reciclaje y tratamiento quiacutemicos
223 Almacenamiento de energiacutea teacutermica
La necesidad de almacenamiento energeacutetico y de buscar formas de
acondicionamiento pasivo es lo que inspira a la investigacioacuten a centrarse en el
almacenamiento teacutermico Es fundamental para el desarrollo del paiacutes disminuir la
demanda energeacutetica sin sacrificar el confort (PRIEN 2002)
En esta seccioacuten de la investigacioacuten se daraacute a conocer las formas de
almacenamiento teacutermico existentes y dando eacutenfasis al almacenamiento
energeacutetico por calor latente donde pertenecen los materiales de cambio fase
(PCM)
El equilibrio termodinaacutemico de los PCM se debe principalmente a los
intercambios de calor con el entorno externo El tiempo para que el PCM alcance
el nuevo equilibrio termodinaacutemico es el tiempo necesario para que el calor sea
intercambiado con el espacio a climatizar Los paraacutemetros baacutesicos de los
materiales de cambio de fase incluyen seguacuten ecuacioacuten (1)
bull Capacidad caloriacutefica [J kg]
119876 = int 119862119901119904 119889119905 + 119862119898 + int 119862119901119897 119889119905 cong 119862119901119904(119879119898 minus 1198791) + 119862119898 + 1198792
119879119898
119879119898
1198791
119862119901119897(1198792 minus 1198791)
Ec 1
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
Donde 119862119901119904 o 119862119901119897 Calor especiacutefico soacutelido y liacutequido kJ(kg times K) 119862119898 Calor
de transformacioacuten de fase (fusioacuten) kJ(kg times K) Tm - temperatura de transicioacuten
de fase (fusioacuten) T1 T2 rango de temperatura de funcionamiento de operacioacuten
224 Clasificacioacuten
Actualmente existe un gran nuacutemero de materiales cambio fase que han
sido investigados debido a que poseen una temperatura y un alto calor latente
de fusioacuten dentro del rango operacional deseado sin embargo exceptuando por
esta caracteriacutestica la mayoriacutea de estos materiales no satisfacen los otros
criterios necesarios para un medio de almacenamiento adecuado (Sharma
2009)
Aquellos que siacute responden a estas prestaciones y se encuentran disponibles en
el mercado pueden ser clasificados en tres grandes grupos orgaacutenicos
inorgaacutenicos y euteacutecticos (V Tyagi amp D Buddhi 2007)
Figura 22 Clasificacioacuten de los Materiales Cambio Fase
Fuente Elaboracioacuten Propia
Materiales Cambio Fase
Organico
Parafina Acido Graso
Inorganico
Sal Hidratada
Metalico
Eutectico
Inorganico -Inorganico
Inorganico -Organico
Organico -Organico
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
Los materiales de cambio de fase liquido-solido maacutes comunes estaacuten en el
rango de temperaturas entre 20degC y 80 degC son las ceras de parafina sales
hidratadas mezclas euteacutecticas y aacutecidos grasos
Las ceras de parafina estaacuten disponibles en el mercado pero su calor
latente (hasta 200 kJkg) es solo la mitad del de las sales hidratadas
Las sales hidratadas son maacutes econoacutemicas que las ceras de parafina y
tambieacuten estaacuten disponibles en el mercado pero tienen algunas desventajas como
las bajas temperaturas de fusioacuten o la corrosioacuten en contacto con metales
En las mezclas euteacutecticas intervienen dos componentes con punto de
fusioacuten (solidificacioacuten) maacutes bajo que el que poseen los compuestos
individualmente Esto hace que la mezcla alcance el punto de congelacioacuten maacutes
bajo posible y ambos se solidifiquen a esa temperatura euteacutectica (Ramiacuterez A
Santos A amp Gonzaacutelez N 2012)
Los PCM tienen una significativa capacidad de almacenar calor por medio
del cambio de estado pero es necesario tener en cuenta los paraacutemetros de
disentildeo del problema y las ventajas y desventajas de los diferentes tipos de
materiales para determinar cuaacuteles son los maacutes apropiados de utilizar en la
construccioacuten dependiendo de sus diferentes caracteriacutesticas y maacutes importante
aun dependiendo de si su temperatura de cambio de fase se acerca a la
temperatura de confort
2241 PCM inorgaacutenicos sales hidratadas
Seguacuten varios investigadores estos materiales fueron muy estudiados en
las primeras etapas de investigacioacuten de PCM por su bajo costo y su capacidad
de almacenamiento de grandes cantidades de calor por unidad de volumen en
comparacioacuten con las sustancias orgaacutenicas que las convierten en candidatos
idoacuteneos para sus muacuteltiples aplicaciones en el aacutembito del almacenamiento de
energiacutea
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
La buacutesqueda de sustancias con temperatura de cambio de fase proacutexima a
la temperatura ambiente no ha encontrado buenos candidatos dentro de este
grupo y las investigaciones se han dirigido maacutes hacia las sustancias orgaacutenicas
Tabla 21 Ventajas e inconvenientes de los PCM inorgaacutenicos
Ventajas Inconvenientes
Econoacutemicos Problemas en el encapsulado y preparacioacuten
del material
Elevada densidad de
almacenamiento teacutermico
Para un uso prolongado necesita de aditivos
Elevada conductividad teacutermica Son susceptibles de sub enfriamiento
(Inestables)
Temperatura de cambio de fase
claramente definida
Debido a la inestabilidad teacutermica y histeacuteresis
se debe aplicar aditivos para evitar una fusioacuten
incongruente en su aplicacioacuten donde puede
reducir su capacidad de almacenamiento de
calor latente
No inflamables Potencialmente corrosivos con algunos
metales
Reciclables y biodegradables
Fuente (Ramiacuterez A Santos A amp Gonzaacutelez N 2012)
Las sales hidratadas tienen algunas propiedades atractivas como los
elevados valores de calor latente no son inflamables y su elevado contenido
hiacutedrico significa que son baratos y muy disponibles Sin embargo sus
caracteriacutesticas de inadaptacioacuten (corrosioacuten inestabilidad dificultades de re-
solidificacioacuten y tendencia al sub enfriamiento) han implicado la realizacioacuten de
estudios hasta la actualidad para poder manejar estas desventajas y realizar su
correcta aplicacioacuten Necesitan por tanto un contenedor para utilizarlos como
aditivos de otros materiales (Ramiacuterez A Santos A amp Gonzaacutelez N 2012)
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Tabla 22 Temperatura de fusioacuten de algunas sales hidratadas
PCM Temperatura
fusioacuten (ordmC)
Q fusioacuten (kJkg)
KFmiddot4H2O 185 231
Na2SO4middot10H2O 324 254
CaCl2middot6H2O 24ndash29 192
CaCl2middot6H2O+Nucleador+MgCl2middot6H2O 23 -
Fuente (Ramiacuterez A Santos A amp Gonzaacutelez N 2012)
En la tabla 21 se muestran algunas ventajas y desventajas de los PCM
inorgaacutenicos y en la tabla 22 se muestran las temperaturas de fusioacuten de las sales
hidratadas que permiten determinar cuaacuteles son las oacuteptimas para utilizar en
aislacioacuten (las cuales su temperatura de fusioacuten se acerca a la temperatura de
confort)
2242 PCM orgaacutenicos parafinas aacutecidos grasos y mezclas orgaacutenicas
Los PCM orgaacutenicos poseen unas caracteriacutesticas que los hacen muy uacutetiles
en su aplicacioacuten en determinados elementos constructivos para almacenamiento
de calor latente
Investigadores determinaron que son maacutes estables quiacutemicamente que las
sustancias inorgaacutenicas funden y solidifican convenientemente sin necesidad de
agentes nucleadores y no sufren sub-enfriamiento o histeacuteresis (Gawron 1981)
No obstante se ha demostrado que son maacutes compatibles y adecuados para la
adsorcioacuten en varios materiales constructivos Aunque el costo inicial en materia
prima de un PCM orgaacutenico es superior al de un inorgaacutenico su costo final es
competitivo
Sin embargo estos materiales tienen otras desventajas la maacutes
significativa es que son inflamables y que emiten gases nocivos durante su
combustioacuten Otros problemas menos extendidos son las reacciones con los
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
productos de la hidratacioacuten en hormigoacuten (hidroacutexido de calcio) envejecimiento por
oxidacioacuten y cambios de olor
Muchos de estos inconvenientes se han eliminado Se ha visto que el
envejecimiento por oxidacioacuten de los PCM puede inhibirse utilizando un oxidante
adecuado Se estaacute investigando tambieacuten en la emisioacuten de gases y la
inflamabilidad de algunos de los PCM maacutes efectivos para establecer un radio de
ignicioacuten Tambieacuten se estaacute investigando sobre la compatibilidad de los PCM con
el hormigoacuten (Ramiacuterez A Santos A amp Gonzaacutelez N 2012)
En la tabla 23 se muestran algunas ventajas y desventajas de los PCM
orgaacutenicos y en la tabla 24 y 25 se muestran las temperaturas de fusioacuten de las
parafinas y aacutecidos grasos que permiten determinar cuaacuteles son las oacuteptimas para
utilizar en aislacioacuten (las cuales su temperatura de fusioacuten se acerca a la
temperatura de confort)
Tabla 23 Ventajas e inconvenientes de los PCM orgaacutenicos
Ventajas Inconvenientes
Faacuteciles de usar Calor latente y entalpiacutea maacutes bajos
Estabilidad teacutermica y quiacutemica Baja conductividad teacutermica
No sufren subenfriamiento Amplio rango de fusioacuten
No necesitan agente nucleador para
solidificar
Inflamables
No corrosivos Reaccioacuten potencial con hormigoacuten
Reciclables y ecoloacutegicamente inocuos Alto costo
Compatibilidad con materiales de construccioacuten convencionales
Fuente (Ramiacuterez A Santos A amp Gonzaacutelez N 2012)
Dentro de los PCM orgaacutenicos se pueden encontrar tres grupos de
sustancias diferentes parafinas aacutecidos grasos y mezclas orgaacutenicas A
continuacioacuten se presenta una pequentildea descripcioacuten de estos (Ramiacuterez A
Santos A amp Gonzaacutelez N 2012)
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
31
Diego Sarabia Meacutendez
22421 Parafinas
Las parafinas son esencialmente un alcalino solido refinado Muestran dos
rangos de enfriamiento un rango maacutes estrecho para un breve periodo de tiempo
y un rango maacutes extenso que ocurre durante un periodo maacutes amplio Ambos se
interpretan como una transicioacuten de liacutequido a amorfo-soacutelida y amorfo-solida a
cristalino-solida respectivamente Parte del calor latente total de fusioacuten se
almacena en la sustancia durante cada una de estas transiciones
Tabla 24 Temperatura de fusioacuten de algunas parafinas
PCM Temperatura fusioacuten (ordmC) Q fusioacuten (kJkg)
Hexadecano 18 236
Heptadecano 22 214
Octadecano 28 244
Parafina 20ndash60 200
RT25 25 147
Fuente (Ramiacuterez A Santos A amp Gonzaacutelez N 2012)
22422 Aacutecidos Grasos
Los aacutecidos grasos derivados de productos animales y vegetales estaacuten
constituidos por una larga cadena alifaacutetica maacutes de 12 carbonos Su cadena
alquiacutelica puede ser saturada o insaturada
En general muestran excelentes caracteriacutesticas teacutermicas (punto de fusioacuten
y congelacioacuten) El rango de temperatura de refrigeracioacuten es grande y no se
produce sub enfriamiento aunque en algunos casos se han detectado Estos
materiales sin embargo tienen elevado costo pudieacutendose utilizar en dispositivos
especiales de almacenamiento de calor o frio
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
Tabla 25 Temperatura de fusioacuten de algunos aacutecidos grasos
PCM Temperatura fusioacuten (ordmC) Q fusioacuten (kJkg)
Caacuteprico 315 158
Laacuteurico 42-44 179
Pentadecano 52 159
Miriacutestico 54 190
Palmiacutetico 63 183
Esteaacuterico 70 196
Eritrol 116-118 126
Fuente (Ramiacuterez A Santos A amp Gonzaacutelez N 2012)
2243 Mezclas euteacutecticas
Tambieacuten existen las mezclas euteacutecticas que puede ser la mezcla de 2
PCM orgaacutenicos de 2 PCM inorgaacutenicos o de un PCM Orgaacutenico maacutes un PCM
inorgaacutenico A continuacioacuten en la tabla 26 se muestra la clasificacioacuten de los PCM
Tabla 26 Clasificacioacuten de los PCMs
Tipo PCM Composicioacuten
Orgaacutenicos Compuestos de parafina
Compuestos sin parafina
Inorgaacutenicos Sales hidratadas
Metaacutelicos
Euteacutecticos Orgaacutenico-Orgaacutenico
Orgaacutenico-Inorgaacutenico
Inorgaacutenico-Inorgaacutenico
Fuente (JuarezD Balart R Ferrandiz S amp Garcia D 2012)
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
23 Criterios de seleccioacuten de los Materiales con Cambio se Fase
Es muy importante la correcta seleccioacuten del material de cambio de fase
dependiendo del campo en que se desee utilizar por lo que a continuacioacuten se
presentaran algunos criterios para seleccionar un PCM correctamente Estos
criterios son propuestos seguacuten una investigacioacuten realizada en Espantildea (Ramiacuterez
A Santos A amp Gonzaacutelez N 2012)
a) Fiacutesicas
bull La densidad del liacutequido y del solido deben ser similares y preferiblemente
elevadas para poder almacenar mayor cantidad de calor por unidad de volumen
bull Variacioacuten de volumen (en el cambio de fase) bajo
b) Cineacuteticas
bull Evitar el problema de histeacuteresis subenfriamiento o retardo al inicio de la
solidificacioacuten como ocurre en los PCM inorgaacutenicos que se produce al no ceder
el calor latente de un PCM pese a que su temperatura sea inferior al punto de
congelacioacuten
c) Quiacutemicas
bull El proceso de cambio de fase debe ser totalmente reversible y solo dependiente
de la temperatura
bull Ser quiacutemicamente estables en el tiempo evitando su descomposicioacuten y
contaminacioacuten
bull No presentar segregacioacuten de fases
bull Ser compatibles con los materiales de encapsulado y otros con los que esteacute en
contacto estabilidad quiacutemica para evitar oxidacioacuten descomposicioacuten teacutermica
hidroacutelisis corrosioacuten y otras reacciones
bull No inflamables y resistentes al fuego
d) Teacutermicas
bull La temperatura de cambio de fase debe ser adecuada a cada aplicacioacuten
particular
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
bull Presentar una temperatura de fusioacuten definida o al menos el cambio de fase
debe producirse en un valor discreto o en un pequentildeo intervalo de temperaturas
bull Poseer una gran capacidad de almacenamiento de calor sensible (calor
especiacutefico) en estado soacutelido y liacutequido y elevada entalpia de cambio de fase calor
latente
bull Poseer una alta conductividad teacutermica para facilitar la transferencia de calor
e) Econoacutemicas
bull Estar disponible en grandes cantidades a bajo costo para que sean viables
teacutecnica y econoacutemicamente
bull Tener un razonable ciclo de vida uacutetil de acuerdo con su costo
24 Vida uacutetil del material cambio fase
El tiempo de vida uacutetil de un PCM viene determinado por la cantidad de
ciclos teacutermicos que es capaz de soportar un material manteniendo su estabilidad
teacutermica El PCM es sometido a repetidos ciclos de calentamiento y enfriamiento
en los que el material cambia de fase de soacutelido a liacutequido y posteriormente vuelve
a cambiar de fase de liacutequido a soacutelido Se miden sus propiedades teacutermicas en
temperaturas fusioacuten y entalpias obteniendo el nuacutemero de ciclos en los que las
propiedades teacutermicas del material no variacutean de forma considerable
Tras realizar una exhaustiva buacutesqueda existe muy poca bibliografiacutea
acerca de la degradacioacuten teacutermica de los PCM y la determinacioacuten de su tiempo de
uso especialmente en aplicaciones para edificacioacuten donde la vida uacutetil del material
debe ser elevada
Aunque es complicado conocer la vida uacutetil real de estos materiales y en
queacute momento dejan de conservar sus propiedades adecuadas para las
aplicaciones a las que se destina existen algunos artiacuteculos basados en
experimentos realizados en laboratorios de materiales sometidos a ciclos
teacutermicos acelerados para determinar si en un nuacutemero de ciclos el material
mantiene sus propiedades teacutermicas intactas (temperaturas fusioacuten y entalpias)
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
Algunos materiales son sometidos a 50 100 1000 o hasta 5000 ciclos teacutermicos
Pero el problema es determinar si ese maacuteximo de 5000 ciclos es suficiente para
asegurar que un material seguiraacute cumpliendo su funcioacuten Hasta el momento no
se ha encontrado en la literatura ninguna investigacioacuten donde se ensaye el
material un nuacutemero suficiente de ciclos hasta la peacuterdida de sus propiedades
teacutermicas para poder conocer su vida uacutetil o el nuacutemero de ciclos que es capaz de
soportar el PCM hasta su degradacioacuten
Por todo lo anteriormente expuesto en esta investigacioacuten se ha
considerado la vida uacutetil del material como el mayor nuacutemero de ciclos soportados
por un material obtenidos a partir de los estudios realizados por diferentes autores
en la literatura o fabricante a pesar de no haber llegado a degradarse en su
totalidad
25 Aplicacioacuten en la construccioacuten
El sector de la construccioacuten es el que maacutes beneficios puede obtener de la
utilizacioacuten de materiales con cambio de fase (PCM) ya que tiene importantes
beneficios en ahorro energeacutetico reducir la contaminacioacuten de CO2 y optimizar la
inercia teacutermica en las edificaciones con el objetivo de mejorar la habitabilidad de
los usuarios
La temperatura interior en un edificio depende de las condiciones
exteriores interiores y de las caracteriacutesticas teacutermicas de la edificacioacuten como la
capacidad teacutermica de los materiales que tiene un efecto como el mostrado en la
figura 23 el cual no considera un sistema activo en su anaacutelisis
Figura 23 Estabilizacioacuten de la temperatura interior por el efecto inercia teacutermica
Fuente (M Kenisarin amp K Mahkamov 2007)
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
Actualmente la mayoriacutea de los materiales de construccioacuten son livianos lo
que trae como consecuencia una baja capacidad caloriacutefica La introduccioacuten de
materiales de cambio de fase puede aumentar la inercia teacutermica del edificio sin
aumentar mucho su peso Sin embargo es necesario disponer de aacuterea de
transferencia de calor suficiente para liberar esa energiacutea (Dincer I amp Rosen M
2002) y es imprescindible que se pueda descargar el material por medio de la
ventilacioacuten durante la noche para prevenir el sobrecalentamiento en los
elementos con PCM (M Kenisarin amp K Mahkamov 2007)
La Figura 24 muestra una comparacioacuten entre el espesor de material
requerido para obtener la misma capacidad teacutermica que la obtenida con un
centiacutemetro de PCM
Figura 24 Espesor requerido de distintos materiales Vs Energiacutea teacutermica
Fuente (M Kenisarin amp K Mahkamov 2007)
Las caracteriacutesticas requeridas para el empleo de materiales de cambio de
fase en la edificacioacuten son
0 5 10 15 20 25 30 35 40
Yeso
Madera
Hormigon
Ceramico
Ladrillo
PCM
Espesor (cm)
H (
kJK
g)
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
37
Diego Sarabia Meacutendez
Temperatura de cambio de fase entre 12 y 25ordmC
Alta estabilidad a los ciclos de cambio de fases debido a la larga vida uacutetil
de los edificios
No corrosivos para reducir el riesgo de fuga de su contenedor y evitar
dantildeos en la estructura del edificio
Considerar la inflamabilidad al fuego y dar soluciones constructivas de
acuerdo a la normativa
Econoacutemicamente viable en funcioacuten de los costos de implementacioacuten y
ahorro energeacuteticos
Una limitacioacuten de los PCM para su aplicacioacuten en la construccioacuten es la
estacionalidad pues el PCM debe ser seleccionado para aplicaciones en
calefaccioacuten pasiva Esta limitacioacuten reduce los beneficios teacutermicos el ahorro
energeacutetico y su viabilidad econoacutemica Investigadores estudiaron un concepto de
doble capa de PCM para que funcionara durante todo el antildeo (A Pasupathy L
Athanasius R Velraj amp RV Seeniraj 2008)
26 Encapsulacioacuten
Uno de los criterios que ha limitado el uso generalizado de los PCM es la
incompatibilidad entre estos materiales y sus contenedores afectando su
estabilidad a largo plazo degradado sus propiedades y provocando la corrosioacuten
de sus recipientes de embalaje Como respuesta a estos inconvenientes han
surgido diferentes teacutecnicas de encapsulacioacuten de los PCM las cuales ofrecen
unas ventajas significativas tales como
Aumento del aacuterea de transferencia de calor
Reduccioacuten de la reactividad hacia el ambiente exterior
Control de los cambios en el volumen eacutestos ocurren dentro de la capsula
No hay absorcioacuten de humedad
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
38
Diego Sarabia Meacutendez
Los meacutetodos de encapsulacioacuten clasificados de acuerdo a su tamantildeo
pueden ser de dos tipos micro y macro encapsulados (Lane 1986)
261 Microcaacutepsulas
Una investigacioacuten menciona que la micro encapsulacioacuten podriacutea definirse
como el proceso de rodear o envolver una sustancia en otra sustancia a escala
muy reducida produciendo caacutepsulas que van desde 1 μm a 1000 μm de diaacutemetro
Los tres estados de la materia (soacutelidos liacutequidos y gases) pueden ser micro
encapsulado
El material de la membrana exterior debe ser compatible con el PCM y a
su vez ser capaz de hacer frente a la tensioacuten mecaacutenica sobre las paredes del
recipiente provocada por las variaciones de volumen durante el cambio de fase
(S E Kalnaeligs amp B P Jelle 2015)
Por lo general los PCM micro-encapsulados se encuentran
comercialmente disponibles en dos formatos dispersioacuten fluida donde las
caacutepsulas son dispersadas en agua o en polvo en mezclas en seco
La figura 25 muestra en teacuterminos practico la conformacioacuten de la
envolvente de poliacutemero en una cera PCM dimensionando el tamantildeo en ellas
Figura 25 Microcaacutepsulas
Fuente (S E Kalnaes and B P Jelle 2015)
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
39
Diego Sarabia Meacutendez
262 Macrocaacutepsulas
La macro-encapsulacioacuten hace referencia a PCM encapsulados en
cualquier tipo de recipiente tal como tubos esferas o paneles que pueden ser
incorporados en materiales de construccioacuten o que actuacutean como intercambiadores
de calor por siacute mismos El tamantildeo de estos contenedores es por lo general maacutes
de 1 cm3 almacenando desde varios mililitros hasta varios litros La tecnologiacutea
de macro encapsulacioacuten emplea un proceso de encapsulacioacuten de doble capa
creando una caacutepsula con una configuracioacuten en forma de matriz La principal
ventaja de los envases plaacutesticos es la disponibilidad en el mercado y la facilidad
de producirlos en una gran variedad de formas y con pocas restricciones
geomeacutetricas Ademaacutes son compatibles con la mayoriacutea de PCM incluyendo las
sales hidratadas por lo general no presentan degradacioacuten aunque algunos
materiales orgaacutenicos pueden llegar a suavizarlos (S E Kalnaes and B P Jelle
2015)
El PCM se encuentra confinado por la encapsulacioacuten evitaraacute cambios
volumeacutetricos importantes lo que evita varios riesgos y garantiza la integridad del
componente en el que se insertan las caacutepsulas La barrera polimeacuterica puede ser
de otros materiales por ejemplo como aluminio ya que mejora la compatibilidad
con otros materiales de construccioacuten y evita la corrosioacuten Este tipo de aplicacioacuten
es de faacutecil manejo una clara ventaja de este proceso en relacioacuten a los meacutetodos
de impregnacioacuten e inmersioacuten del iacutetem anterior
Figura 26 Caacutepsulas de macro PCM (Contenedor plano Esfera Placas de
barra doble y placas de aluminio)
Fuente (S E Kalnaeligs amp B P Jelle 2015)
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
40
Diego Sarabia Meacutendez
CAPITULO III MEacuteTODOS Y METODOLOGIacuteA
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
41
Diego Sarabia Meacutendez
En este estudio la evaluacioacuten se centra en el anaacutelisis de optimizacioacuten de
la aplicacioacuten PCM a los muros exteriores y dimensionamiento del rendimiento
teacutermico de una vivienda en estudio
Los modelos generados en el software Energy Plus se ingresoacute valores de
los sistemas constructivos de la vivienda en estudio condiciones climaacuteticas
caracterizacioacuten PCM en muros exteriores y caracterizacioacuten macro encapsulacioacuten
de acuerdo con las directrices (DOE 2016) se explica en las siguientes secciones
del capiacutetulo
31 Herramienta de simulacioacuten de energiacutea
Para evaluar los PCM de comportamiento teacutermico variable de la vivienda
en estudio con y sin PCM se utilizoacute el software EnergyPlus v 87
En teacuterminos generales el software puede evaluar una variedad de caacutelculos
destacados como los caacutelculos de puentes teacutermicos HVAC integrado y
simulaciones de carga de construccioacuten confort teacutermico y materiales con
conductividad teacutermica variable como el PCM (DB Crawley LK Lawrie FC
Winkelmann WF Buhl YJ Huang amp CO Pedersen 2001) Ademaacutes hay
muchas opciones para la conveccioacuten de la superficie interior y exterior
algoritmos infiltracioacuten avanzada e ventilacioacuten energiacutea desarrollada costos del
ciclo de vida algoritmos avanzados de confort teacutermico como como la calidad del
aire interior y el confort teacutermico para los ocupantes (DB Crawley JW Hand M
Kummert amp BT Griffith 2008)
Para analizar el comportamiento teacutermico variable de los PCM en estudio
se utilizoacute el algoritmo de diferencia finita de conduccioacuten (CondFD) Este algoritmo
modela la transferencia de calor en presencia de PCM y junto con la ecuacioacuten (2)
discretiza la envolvente del edificio en varios nodos para resolver numeacutericamente
la transferencia de calor en el software se puede escoger ecuaciones por un
esquema totalmente impliacutecito y el Crank-Nicolson que es semi-impliacutecito (KO
Lee 2016)
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
En esta investigacioacuten se utiliza un esquema Crank-Nicolson para simular
PCM para un material homogeacuteneo con espaciado uniforme de nodos como se
muestra en la ecuacioacuten (2) (3) y (4) extraiacutedo del manual del software
EnergyPlus (DOE 2016)
119862119901120588∆119909119879119894
119895+1minus 119879119894
119895
∆119905= (119896119908
119879119894+1119895+1
minus 119879119894119895+1
∆119909+ 119896119864
119879119894minus1119895+1
minus 119879119894119895+1
∆119909+ 119896119908
119879119894+1119895
minus 119879119894119895
∆119909+ 119896119864
119879119894minus1119895
minus 119879119894119895
∆119909)
Ec 2
∆119909 = radic119888120572∆119905 Ec 3
Donde Cp y ρ son el calor especiacutefico y la densidad del material Δ119909 es el
espesor de capa de diferencia finita Δ119905 es el paso de tiempo 119879 es la temperatura
de un nodo 119894 119894 + 1 y 119894 minus 1 son los nodos adyacentes al interior y exterior
respectivamente de una capa de material 119895 y 119895 + 1 son los pasos de tiempo
anterior y nuevo 119896119908 y 119896119864 representan las conductividades teacutermicas 119896119908 =
119896119894+1119895+1
+119896119894119895+1
2 y 119896119864 =
119896119894minus1119895+1
+119896119894119895+1
2 120572 es la difusividad teacutermica del material y 119888 es la
constante de discretizacioacuten del espacio que puede definir el usuario (3 es el valor
predeterminado para esta constante seguacuten manual)
Esta investigacioacuten considera el uso de paneles PCM por lo tanto el
algoritmo CondFD ecuacioacuten (2) debe combinarse con una funcioacuten de temperatura
de entalpiacutea ℎ = ℎ (119879) estos datos en la funcioacuten se obtendraacuten de acuerdo al estudio
bibliograacutefico El algoritmo usa esta funcioacuten para actualizar el calor especiacutefico
equivalente (119862119901) en cada paso de tiempo como se muestra en la ecuacioacuten (4)
lowast 119862119901(119879) =ℎ119894
119895minus ℎ119894
119895minus1
119879119894119895
minus 119879119894119895minus1
Ec 4
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
32 Descripcioacuten Vivienda en estudio
En este apartado se define los sistemas constructivos de la vivienda en
estudio con y sin PCM para obtener la liacutenea base de comparacioacuten
En la figura 31 se muestra el disentildeo de vivienda en estudio de 56 m2 y
los espacios interiores con su distribucioacuten de aacutereas veacutease en la tabla 31 esta
vivienda se configuro de acuerdo a las soluciones constructivas acreditadas
(MINVU Soluciones constructivas acreditadas al fuego teacutermico y acuacutestico
2020)
Las caracteriacutesticas de la envolvente de la vivienda en estudio cuentan con
la configuracioacuten miacutenima de la reglamentacioacuten teacutermica que actualmente rige en
Chile estaacute establecida en la Ordenanza General de Urbanismo y Construcciones
en su artiacuteculo 4110 y en una zonificacioacuten del paiacutes en zonas teacutermicas seguacuten
grados-diacutea especificados en el manual de aislamiento teacutermico (MINVU Manual
de aplicacioacuten y reglamentacoacuten teacutermica 2017) Los complejos de techumbres
muros perimetrales y pisos inferiores ventilados entendidos como elementos que
constituyen la envolvente de la vivienda deberaacuten tener una transmitancia teacutermica
ldquoUrdquo igual o menor o una resistencia teacutermica total ldquoRtrdquo igual o superior a la
sentildealada para la zona que le corresponda al proyecto de arquitectura de acuerdo
con los planos de zonificacioacuten teacutermica corresponde a zona 4 y se verifica lo
anteriormente expuesto en la tabla 32 cabe sentildealar que los valores de
transmitancia teacutermica se extrajeron de acuerdo a las ecuaciones de balance
teacutermico que estaacute incorporado en el software
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
Figura 31 Descripcioacuten Vivienda en estudio
Elaboracioacuten Propia - Software Revit
A continuacioacuten se muestra las dimensiones que tiene cada espacio de las
dos torres del edificio en las siguientes tablas
Tabla 31 Resumen superficies de los distintos espacios vivienda en estudio
Torre A
Lugar Superficie (119950120784) Altura (m)
Dormitorio Primario 8 24
Dormitorio Secundario 7 24
Cocina 9 24
Living - Comedor 28 24
Bantildeo 3 24
TOTAL 56
Fuente Elaboracioacuten Propia
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
Tabla 32 Cumplimiento de la envolvente elementos constructivos de la vivienda en estudio
Elemento Materiales (exterior al
interior)
Espesor (m)
Transmitencia teacutermica Valor U (Wm2K)
Transmitencia teacutermica exigida Valor U (Wm2K)
Muro Exterior
Siding
Fibrocemento
0006
0672
17
Plancha OSB 0009
Entramado
madera pino 2x3
0075
Lana de vidrio 005
Caacutemara no
ventilada
(Ubicacioacuten del
PCM)
0026
Placa yeso cartoacuten 0015
Muro Interior
Placa yeso cartoacuten 0015
0677
17
Entramado
madera pino 2x2
0075
Lana de vidrio 005
Placa yeso cartoacuten 0015
Techumbre
Plancha Zincalum 0035
0316
038
Fieltro 0005
Plancha OSB 0009
Entramado madera pino 2x2
0075
Lana de Vidrio 005
Placa yeso cartoacuten 00125
Piso en contacto
con el terreno
Radier Hormigoacuten 02 17 No aplica
Fuente Elaboracioacuten Propia
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
Para integrar el PCM con la vivienda en estudio se configuro las
propiedades teacutecnicas y la ubicacioacuten optima interna del PCM al panel externo
constructivo donde se administroacute en el modelo de simulacioacuten veacutease en la Figura
313 y figura 38
321 Meacutetodo de zona en software EnergyPlus
El modelo de construccioacuten creado se utilizoacute el meacutetodo de zona donde
todas las zonas fueron modeladas con informacioacuten completa en construccioacuten
ocupacioacuten equipamiento y HVAC
Al iniciar el modelo se elige la ubicacioacuten y el tipo de anaacutelisis Despueacutes se
debe ingresar un nombre al sitio y a cada zona Ademaacutes se puede asignar varios
edificios bajo el mismo sitio cada uno con su propio nombre Una vez definido lo
anterior se genera bloque que generalmente representa un piso o nivel planta
para este estudio se genera bloque de acuerdo a la figura 32
Figura 32 Modelo de zona en casa de estudio
Fuente Elaboracioacuten Propia
La fase de zonificacioacuten separa las diferentes zonas teacutermicas Para el
modelo cada suite se considera una zona El meacutetodo de zona permite asignar
diferentes horarios operativos a cada zona Cada una de las paredes de cada
bloque se llama superficie y ventanas o puertas como sub-superficies o
aberturas La vivienda se muestra parcialmente en la Figura 33
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
Figura 33 Zona y sub-superficie de vivienda en estudio
Fuente Elaboracioacuten Propia
El software da la posibilidad de elegir los materiales utilizados en la
construccioacuten de la vivienda a traveacutes de sus bibliotecas de materiales o pueden
ser creados por el usuario y los materiales elegidos son asignado a las partes
especificadas de la vivienda Estos pasos se repitieron en todos los pisos para
completar todo el modelo de construccioacuten
33 Datos meteoroloacutegicos
El modelo de simulacioacuten se mantuvo en base a los datos meteoroloacutegicos
con formato EPW en Energy plus se definioacute la ubicacioacuten Concepcioacuten Chile Con
el objetivo de evaluar el rendimiento teacutermico y analizar la optimizacioacuten de la
posicioacuten del PCM al muro exterior de la vivienda en estudio Las configuraciones
de los datos meteoroloacutegicos se muestran en la Figura 34
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
Figura 34 Configuracioacuten datos meteoroloacutegico
Fuente Elaboracioacuten Propia
34 Jornadas de ocupacioacuten
Para realizar la simulacioacuten energeacutetica se deben definir una serie de
planillas de ocupacioacuten de los recintos uso de luminaria y equipos En estas
planillas de ocupacioacuten se define el ciclo horario para todos los diacuteas del antildeo
Esto se realiza con la finalidad de establecer los periodos en los que
influyen los distintos tipos de cargas internas en la vivienda
A continuacioacuten se adjunta a modo de ejemplo la figura 35 en la cual se
puede ver el menuacute de configuracioacuten de las plantillas de ocupacioacuten
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
Figura 35 Planilla de uso horario de un recinto
Fuente Elaboracioacuten propia
35 Configuracioacuten envolvente por elemento y sistemas de climatizacioacuten
Definidos las zonas y multi zonas del modelo se deberaacute configurar los
sistemas constructivos en sus propiedades teacutermicas y dimensiones El software
automaacuteticamente genera el caacutelculo de transmitancia teacutermica anaacutelisis de
condensacioacuten y dimensioacuten en imagen por elemento Veacutease en la figura 36
Para configurar el sistema de climatizacioacuten primero se debe definir los
rangos de temperatura confort teacutermico en la pestantildea de actividades del software
Veacutease figura 37 A continuacioacuten se define el tipo de sistema de climatizacioacuten
definiendo las horas de operacioacuten tipo combustible y rendimiento del sistema
como se muestra en la figura 38
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
Figura 36 Planilla configuracioacuten envolvente por elemento
Fuente Elaboracioacuten propia
Figura 37 Planilla configuracioacuten rango de temperatura confort teacutermico
Fuente Elaboracioacuten propia
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
Figura 38 Planilla configuracioacuten del tipo de sistema de climatizacioacuten
Fuente Elaboracioacuten propia
36 Caracterizacioacuten PCM
En este estudio se utilizoacute placas PCM tipo orgaacutenico de parafina tiene una
relacioacuten de mezcla de n-octadecano a n-heptadecano seleccionado debido a la
eficiencia energeacutetica con temperatura cercana al confort teacutermico (12ndash26 deg C)
basado en ISO 13790 (KO Lee 2016)
Seguacuten el estado de arte existente se definioacute los tres materiales de cambio
de fase los cuales son candidatos idoacuteneos para utilizar en esta investigacioacuten
Estos materiales han sido estudiados por diversos autores con el fin de obtener
sus propiedades termofiacutesicas y usarlas en la edificacioacuten La razoacuten de utilizar estos
materiales es debido a sus propiedades teacutermicas y el que su temperatura de
fusioacuten es cercana a la temperatura de confort
Ademaacutes la vida uacutetil del PCM es de 13 antildeos seguacuten su ciclo de cambio
fase considerando 365 cambios fase anual el cual se justifica con los costos de
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
52
Diego Sarabia Meacutendez
inversioacuten al implementar esta tecnologiacutea dependiendo de la magnitud del flujo
de calor el cuaacutel se quiere operar
Las especificaciones teacutecnicas de las placas PCM y el comportamiento de
temperaturas y entalpias de operacioacuten se describen en la tabla 33 las cuales se
vinculan con el algoritmo CondFD de la ecuacioacuten (2) para evaluar su rendimiento
energeacutetico en la vivienda en estudio
361 Seleccioacuten de Materiales Cambio Fase
Tabla 33 Especificaciones teacutecnicas de PCM a utilizar
Caracteriacutesticas RT18HC
Valores Unidades Grafica entalpia y Temperatura
Temperatura de Fusioacuten
18
degC
Almacenamiento de calor
260 [kJkg]
Capacidad calor especifico
2 [kJkgK]
Densidad solido (a los 15degC)
088 [kgl]
Densidad solido (a los 25degC)
077 [kgl]
Conductividad teacutermica
(Ambas fases)
02 [W(mK)]
Expansioacuten de Volumen
125
Maacutexima temperatura operacioacuten
50 degC
Ciclo Cambio fase
5000 -
Caracteriacutesticas RT21HC
Valores Unidades Grafica entalpia y Temperatura
Temperatura de Fusioacuten
21
degC
Almacenamiento de calor
155 [kJkg]
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
Capacidad calor especifico
2 [kJkgK]
Densidad solido (a los 15degC)
088 [kgl]
Densidad solido (a los 25degC)
077 [kgl]
Conductividad teacutermica
(Ambas fases)
02 [W(mK)]
Expansioacuten de Volumen
12
Maacutexima temperatura operacioacuten
45 degC
Ciclo Cambio fase
5000 -
Caracteriacutesticas RT22HC
Valores Unidades Grafica entalpia y Temperatura
Temperatura de Fusioacuten
22
degC
Almacenamiento de calor
190 [kJkg]
Capacidad calor especifico
2 [kJkgK]
Densidad solido (a los 15degC)
076 [kgl]
Densidad solido (a los 25degC)
070 [kgl]
Conductividad teacutermica
(Ambas fases)
02 [W(mK)]
Expansioacuten de Volumen
125
Maacutexima temperatura operacioacuten
50 degC
Ciclo Cambio fase
5000 -
Fuente (Rubitherm 2020)
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
362 Configuracioacuten del PCM en EnergyPlus
De acuerdo al estudio bibliograacutefico de los materiales cambio fase para
ingresar los datos al software se debe definir las cantidades de temperatura de
operacioacuten identificar el punto de fusioacuten en las graacuteficas de entalpia y temperatura
de la tabla 33 conductividad teacutermica calor especifico densidades y espesor en
el elemento constructivo con el fin de determinar el flujo de calor de operacioacuten
de acuerdo al balance termodinaacutemico de la ecuacioacuten (2) A continuacioacuten se
adjunta a modo de ejemplo la figura 39 en la cual se puede ver el menuacute de
configuracioacuten
Figura 39 Configuracioacuten del PCM en el software
Fuente Elaboracioacuten Propia
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
363 Cotizacioacuten PCM RT21
La inversioacuten total del material cambio fase es de $1106679
correspondiente a 160 kg con transporte incluido Se observa que el costo de
transporte afecta considerablemente en su valor (Alemania)
Se realizoacute cotizacioacuten del material RT21 en la empresa alemana Rubitherm
se presenta en la figura 310
Figura 310 Cotizacioacuten del material RT21
Fuente (Rubitherm 2020)
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
37 Caracterizacioacuten Macro encapsulacioacuten
En esta seccioacuten la placa de macro encapsulacioacuten utilizada para el PCM
es de materialidad de aluminio veacutease figura 311 esto aumenta la transferencia
de calor en los PCM Son dos placas que estaacuten unidas entre siacute Se unen en dos
puntos centrados y se pegan en sus marcos Pueden ser utilizados para PCM
(orgaacutenico - inorgaacutenico) Por lo tanto se puede ofrecer un rango de temperatura
para una variedad de aplicaciones El grosor depende del volumen de llenado y
por lo tanto de la capacidad de almacenamiento Para el estudio se seleccionoacute
el modelo CSM105 Rubitherm el cual su espesor es de 15 mm y puede
almacenar 2 Kg de PCM por placa
Figura 311 Modulo Almacenamiento Macro encapsulacioacuten de aluminio
Fuente (Rubitherm 2020)
371 Cotizacioacuten Macro encapsulacioacuten
La inversioacuten total de la Macro encapsulacioacuten de aluminio modelo CSM105
Rubitherm es de $ 4326306 correspondiente a 150 unidades con transporte
incluido Se observa que el costo de transporte afecta considerablemente en su
valor (Alemania) Se realizoacute cotizacioacuten de los elementos de Macro encapsulacioacuten
de aluminio modelo CSM105 Rubitherm se presenta en la figura 312
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
Figura 312 Cotizacioacuten Macro encapsulacioacuten
Fuente (Rubitherm 2020)
38 Validacioacuten muro constructivo con PCM
De acuerdo a los estudios del estado de arte y conocimientos teacutecnicos se
validoacute el sistema constructivo propuesto del muro exterior en el cumplimiento de
resistencia al fuego de acuerdo al cataacutelogo de soluciones constructivas del
MINVU y de la Ordenanza General de Urbanismo y Construcciones (OGUC)
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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381 Cumplimiento de la OGUC y Resistencia al fuego
Dentro de las exigencias a cumplir por la OGUC se tiene la resistencia
al fuego en elementos constructivos seguacuten el tipo de recinto Para el caso del
muro de la vivienda en estudio se hace el siguiente anaacutelisis
De la tabla Ndeg34 seguacuten ldquodestino del edificiordquo ldquosuperficie edificada (m2)rdquo y
ldquonuacutemero de pisosrdquo se obtiene una clasificacioacuten (a b c y d) seguacuten corresponda
En el caso de estudio se tiene una vivienda de 1 piso por lo que el destino
es ldquoHabitacionalrdquo y por nuacutemero de pisos se establece una clasificacioacuten ldquodrdquo
Tabla 34 Clasificacioacuten de los edificios seguacuten su destino superficie edificada y
nuacutemero de pisos Destino del Edificio Superficie Edificada (m2) Nuacutemeros de Pisos
1 2 3 4 5 6 7 o mas
Habitacional Cualquiera d d c c b a a
Hoteles Sobre 5000 c b a a a a a
Sobre 1500 y hasta 5000 c b b b a a a
Sobre 500 y hasta 1500 c c b b a a a
Hasta 500 d c b b a a a
Oficinas Sobre 1500 c c b b b a a
Sobre 500 y hasta 1500 c c c b b b a
Hasta 500 d c c b b b a
Museos Sobre 1500 c c b b b a a
Sobre 500 y hasta 1500 c c c b b b a
Hasta 500 d c c b b b a
Clinica Hospitales y Lab Sobre 1000 c b b a a a a
Hasta 1000 c c b b a a a
Policlinicos Sobre 400 c c b b b b a
Hasta 400 d c c b b b a
Restaurante Sobre 500 b a a a a a a
Sobre 250 y hasta 500 c b b a a a a
Hasta 250 d c c b b a a
Locales Comerciales Sobre 500 c b b a a a a
Sobre 200 y hasta 500 c c b b a a
Hasta 200 d c b b b a a
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
Bibliotecas Sobre 1500 b b a a a a a
Sobre 500 y hasta 1500 b b b a a a a
Sobre 250 y hasta 500 c b b b a a a
Hasta 250 d c b b a a a
Automotoras Cualquiera d c c b b b a
Edificio Estacionamiento Cualquiera d c c c b b a
Fuente (MINVU Soluciones constructivas acreditadas al fuego teacutermico y
acuacutestico 2020)
Para lograr obtener la resistencia al fuego necesaria se debe utilizar
ademaacutes la tabla 34 la cual utilizo como criterios la clasificacioacuten obtenida de la
tabla 35 y el tipo de elemento constructivo
Tabla 35 Resistencia al fuego para diferentes elementos de construccioacuten Elementos de Construccioacuten
Tipo (1) (2) (3) (4) (5) (6) (7) (8) (9)
A F-180 F-120 F-120 F-120 F-120 F-30 F-60 F-120 F-60
B F-150 F-120 F-90 F-90 F-90 F-15 F-30 F-90 F-60
C F-120 F-90 F-60 F-60 F-60 - F-15 F-60 F-30
D F-120 F-60 F-60 F-60 F-30 - - F-30 F-15
Fuente (MINVU Soluciones constructivas acreditadas al fuego teacutermico y
acuacutestico 2020) Simbologiacutea
Elementos verticales
(1) Muros cortafuego
(2) Muros zona vertical de seguridad y caja de escalera
(3) Muros caja de ascensores
(4) Muros divisorios entre unidades (hasta la cubierta)
(5) Elementos soportantes verticales
(6) Muros no soportantes y tabiques
Elementos verticales y horizontales
(7) Escaleras
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teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
Elementos Horizontales
(8) Elementos soportantes horizontales
(9) Techumbre incluido cielo falso
Para el caso de los muros que dan al exterior de la vivienda en estudio se
considera en la categoriacutea (5) y seguacuten la clasificacioacuten obtenida de la tabla 35 (d)
se tiene un grado de resistencia al fuego F-30
Para cumplir con esta exigencia se utiliza una solucioacuten del cataacutelogo de
soluciones constructivas del MINVU la cual se presenta a continuacioacuten
Tabla 36 Tabique perimetral estructura madera en vivienda en estudio
A233014 Tabique Estructura Madera Volcanita 15 mm RF Placa
OSB 9 mm Siding Volcan 6 mm Aislanglas R122 50 mm
Elemento estaacute formado por una estructura de madera hecha con listones de pino
radiata de 2rdquo x 3rdquo en bruto Consta de 5 pie-derechos distanciados entre ejes
cada 06 m dos cadenetas distanciadas entre ejes cada 08 m una solera inferior
y otra superior Esta estructuracioacuten esta forrada por una de sus caras con una
plancha de yeso-cartoacuten ldquoVolcanita RFrdquo de 15 mm de espesor La otra cara esta
forrada con una placa de madera OSB de 9 mm de espesor y como terminacioacuten
en esta cara lleva unas fajas horizontales de fibrocemento ldquoSiding Volcanrdquo tipo
tinglado de 190 mm de ancho y 6 mm de espesor Todo el conjunto esta
atornillado a la estructura de madera Esta conformacioacuten deja espacios libres en
el interior del panel estaacuten rellenos con una manta de lana de vidrio tipo rollo libre
R122 de 50 mm de espesor de densidad media aparente de 14 kgm3 Las
dimensiones para el ensayo fue 22 de ancho x 24 de alto y 105 mm de espesor
INSTITUCION Ndeg Informe Lab Fecha Resistencia Inscripcioacuten
Volcaacuten SA 374721 IDIEM 26-06-96 F-30 2015
Fuente (MINVU Soluciones constructivas acreditadas al fuego teacutermico y
acuacutestico 2020)
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
Otra de las exigencias por parte de la OGUC es el cumplimiento de la
reglamentacioacuten teacutermica mostrado en la tabla 32 para esto se compara las
transmitancias teacutermicas exigidas con las envolventes de los elementos
constructivos de la vivienda en estudio Para el caso del muro donde se
incorporaraacute el PCM se seleccionoacute de acuerdo al listado de soluciones
constructivas del MINVU para validar la resistencia al fuego En la figura 313 se
visualiza las componentes de la envolvente del muro con PCM
Figura 313 Sistema Constructivo Muro exterior con PCM en vivienda estudio
Fuente Elaboracioacuten Propia
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
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CAPITULO IV RESULTADOS Y DISCUSIOacuteN
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
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Diego Sarabia Meacutendez
En este segmento se evaluoacute el comportamiento energeacutetico de los
materiales cambio fase mediante el software Energy Plus Los materiales cambio
fase se produce dentro de placas de macro encapsulacioacuten de aluminio al interior
de los muros exteriores
Por lo tanto se observoacute el aporte energeacutetico de los materiales cambio fase
en un sistema activo de calefaccioacuten optimizando los sistemas constructivos en
la vivienda en estudio y dar respuesta a su aplicacioacuten en acondicionamiento
ambiental
41 Comportamiento Energeacuteticos de los materiales cambio fase
A continuacioacuten se comparoacute el comportamiento energeacutetico de dos sistemas
de climatizacioacuten con el aporte energeacutetico pasivo de los distintos materiales
cambio fase en una vivienda en estudio
411 Rendimiento energeacutetico de calefaccioacuten con y sin PCM
Para evaluar el comportamiento energeacutetico se definioacute la temperatura de
fusioacuten de los PCM en el rango de 18 a 22degC el aporte energeacutetico de los PCM
ayudo a mantener constante la temperatura confort de 21degC en la vivienda y
reducir los consumos energeacuteticos del sistema activo para este estudio se
escogioacute dos sistemas de climatizacioacuten caso 1 calefaccioacuten a lentildea con un η=07 y
caso 2 Climatizacioacuten por bomba de calor η=27 esta seleccioacuten se debe a que el
sistema de calefaccioacuten a lentildea es el maacutes usado en la zona genera una alta
contaminacioacuten ambiental por su combustioacuten en material particulado es el
combustible maacutes econoacutemico por unidad de energiacutea y su inversioacuten es accesible
en cambio los equipos de bomba calor tienen un mayor rendimiento energeacutetico
tiene menos impacto al medio ambiente y su inversioacuten es costosa
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La figura 41 (a) muestra las potencias maacuteximas de disentildeo en
climatizacioacuten comparando la liacutenea base con la implementacioacuten de materiales
PCM en vivienda en estudio ubicado en Concepcioacuten Chile A traveacutes de este
anaacutelisis se identificoacute una disminucioacuten en su potencia de disentildeo de 319 (de
263 kW a un 179 kW) con respecto al caso base
Figura 41 (a) Potencia maacutexima disentildeo con y sin PCM en vivienda estudio
Fuente Elaboracioacuten Propia
En la figura 41 (b) y (c) se realizoacute la comparacioacuten de distintos tipos de
materiales PCM con un rango de temperatura de fusioacuten entre 18 degC a 22degC para
determinar cuaacutel es maacutes eficiente en funcioacuten de las variables de disentildeo
emplazamientos y propiedades teacutermicas
Para el primer caso se evaluoacute el sistema de calefaccioacuten a lentildea y el rol
clave de estos materiales PCM es reducir el consumo energeacutetico y el kgCO2
generado por la combustioacuten En los resultados se visualizoacute que el material cambio
fase optimo corresponde al PCM 22HC arrojando una reduccioacuten del consumo
energeacutetico de 341 (de 3694 kWh a un 2434 kWh) en comparacioacuten al caso base
CocinaDormitorioSecundario
DormitorioPrimario
Living-Comedor
Bantildeo
Sin PCM 03 037 047 129 02
Con PCM 017 027 033 087 015
0
02
04
06
08
1
12
14
Dem
ada
En
erge
tica
(k
W)
Potencia Maxima de Disentildeo
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Para el segundo caso se evaluoacute un sistema de bomba de calor multisplit
al igual que en el caso anterior el material optimo corresponde al PCM 22HC se
observoacute una disminucioacuten de consumo energeacutetico de un 344 (de 688 kWh a un
451 kWh) en comparacioacuten al caso base
Para ambos casos se observoacute una notable reduccioacuten de los consumos
energeacuteticos en estacioacuten friacutea
Figura 41 (b) Caso 1 - Consumo energeacutetico en calefaccioacuten Lentildea con y sin
PCM en vivienda estudio
Fuente Elaboracioacuten Propia
Ene Feb Mar Abr May Jun Jul Ago Sept Oct Nov Dic
Sin PCM 75 79 138 267 477 604 626 498 408 271 147 104
PCM 18 37 34 73 188 424 579 602 440 347 185 85 60
PCM 21 31 27 64 167 397 547 570 405 313 161 71 53
PCM 22 13 11 39 138 354 506 528 357 275 130 49 34
0
200
400
600
800
1000
Co
nsu
mo
Co
mb
ust
ible
(k
Wh
)
Consumo Combustible Lentildea Mensual
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Figura 41 (c) Caso 2 - Consumo energeacutetico Bomba de calor con y sin PCM en
vivienda estudio
Fuente Elaboracioacuten Propia
Se identificoacute que la temperatura de fusioacuten maacutes baja de los PCM no es
viable en la optimizacioacuten del sistema pasivo en climatizacioacuten podriacutea ser explicado
por las variables temperatura exteriores dependiendo de las condiciones
climaacuteticas por su emplazamiento Por ejemplo de acuerdo con las cargas
maacuteximas de calefaccioacuten se debe a que la energiacutea en invierno aumento
estableciendo las temperaturas de confort teacutermico esta es una variable de
seleccioacuten del PCM que serviraacute para optimizar el disentildeo en funcioacuten del confort
teacutermico disminuyendo demanda energeacutetica perdidas caloriacuteficas y consumos
energeacuteticos de sistemas de calefaccioacuten activos
Seguacuten el estado de arte otro punto importante a comentar es tener en
cuenta que las curvas de entalpia y temperatura tanto para refrigeracioacuten y
calefaccioacuten deben ser lo maacutes cercana posible de lo contrario se produciriacutea una
Ene Feb Mar Abr May Jun Jul Ago Sept Oct Nov Dic
Sin PCM 14 15 26 50 89 112 116 92 78 50 27 19
PCM 18 7 6 14 35 79 107 112 82 64 34 16 11
PCM 21 57 5 12 31 74 101 106 75 58 30 13 10
PCM 22 23 2 72 256 66 936 976 662 511 24 9 63
0
20
40
60
80
100
120
Co
nsu
mo
Co
mb
ust
ible
(k
Wh
)Consumo Combustible Bomba de calor Mensual
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histeacuteresis o sub enfriamiento y afectariacutea considerablemente el rendimiento del
PCM en su aplicacioacuten
Para la implementacioacuten de sistemas activos sustentables en climatizacioacuten
se demuestra en el estudio que el aporte energeacutetico de los PCM es mantener la
temperatura constante dentro de los espacios interiores y ayudan tambieacuten a bajar
considerablemente los consumos energeacuteticos y es un aporte al medio ambiente
Para sistemas pasivos la eficiencia en los PCM en los muros exteriores
podriacutea incrementarse sugiriendo que haya acristalamiento a base de muros
cortina durante el diacutea lleva al PCM al proceso de cambio de fase de manera
estable en el tiempo debido a su almacenamiento teacutermico (F Ascione RF De
Masi F de Rossi S Ruggiero amp GP Vanoli 2016)
Ademaacutes la disminucioacuten de un 319 en potencia maacutexima de disentildeo para
equipos de climatizacioacuten arrojado en este estudio y un promedio de 33 en
reduccioacuten en consumo energeacutetico en los dos casos de climatizacioacuten propuestos
se puede inferir que los materiales cambio fase es capaz de contribuir a eficiencia
energeacutetica
412 Inversioacuten inicial y costos operativos en sistemas de calefaccioacuten con y sin PCM
Se hizo un anaacutelisis de los principales costos asociados a la adquisicioacuten de
los equipos y operacioacuten de eacutestos No se consideraraacute valor residual o de
salvamiento Para poder comparar la vida uacutetil a usar seraacute de 10 antildeos
Al obtener los valores de consumos energeacuteticos en las simulaciones de
los casos propuestos se visualiza una aproximacioacuten en demostrar el beneficio
econoacutemico que aporta los PCM a los sistemas activos Vease en figura 42
En el caso 1 sistema de calefaccioacuten a lentildea se observoacute una disminucioacuten
en los costos de operacioacuten anual de un 341 (de $88656 a un $58416)
($ 24 por kWh) (BES 2017) y en el caso 2 sistema de climatizacioacuten por bomba
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calor se observoacute una disminucioacuten en los costos de operacioacuten anual de un 344
(de $72928 a un $47795) ($ 106 por kWh) (BES 2017)
Figura 42 Inversioacuten inicial y costos operativos sistema climatizacioacuten con y sin
PCM en vivienda estudio
Fuente Elaboracioacuten Propia
42 Propuesta de aplicacioacuten PCM a caso base como sistema de actualizacioacuten
Seguacuten los resultados del comportamiento energeacutetico de la vivienda en
estudio con y sin PCM Se identificoacute un enfoque diferente e innovador para
sistemas pasivos de acondicionamiento ambiental o el aporte energeacutetico
significativo de los PCM a los sistemas activos para mantener su temperatura
constante en su operacioacuten
Una correcta ubicacioacuten del PCM a los muros exteriores de una vivienda en
estudio mostro significativamente un ahorro de energiacutea con respecto al caso
base esto se debe a la colocacioacuten del PCM en la particioacuten interna en los muros
exteriores emplazamiento de la vivienda tipo de encapsulacioacuten y orientacioacuten de
los muros con respecto al sol
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
Sin PCM PCM 22HC Inversion
Mil
es d
e p
eso
sInversion inicial y costos operativos en sistema
climatizacion
Caso 1 Sistema Calefaccion Lentildea Caso 2 Sistemas Bomba de Calor
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El tipo de encapsulacioacuten de acuerdo al panel constructivo mostro que debe
ser macro encapsulacioacuten con materialidad de aluminio para aumentar la
conductividad teacutermica de los materiales cambio fase que era una de sus
desventajas teacutecnicas
A traveacutes de este anaacutelisis se identificoacute que material de cambio de fase se
debe seleccionar de acuerdo a la aplicacioacuten pasiva en vivienda en estudio
considerando variables de seleccioacuten como cineacuteticas fiacutesicas quiacutemicas teacutermicas
y econoacutemicas
Finalmente se observoacute que es posible maximizar la eficiencia de la
energiacutea en mantener la temperatura constante en los espacios interiores con el
aporte energeacutetico de los sistemas pasivos cuando se usa materiales cambio fase
en los muros exteriores de la vivienda en estudio Ademaacutes el PCM con
temperatura de fusioacuten cercana a la temperatura confort logra un mayor
rendimiento energeacutetico seguacuten su emplazamiento y reduce considerablemente los
costos de operacioacuten de un sistema climatizacioacuten activo aportaacutendole energiacutea
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
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CONCLUSIONES
El trabajo reciente propone un anaacutelisis de optimizacioacuten del PCM a una
vivienda en estudio como una aplicacioacuten de actualizacioacuten a sistemas pasivos y
se evaluoacute el comportamiento energeacutetico de dos sistemas activos de climatizacioacuten
mediante el uso del software EnergyPlus
En este estudio se describe la seleccioacuten de materiales de cambio fase a
utilizar la encapsulacioacuten adecuada en base a la aplicacioacuten y propiedades de
disentildeo
En el anaacutelisis del comportamiento energeacutetico de la vivienda en estudio se
observoacute que el PCM adecuado seguacuten la temperatura de fusioacuten estaacute en el rango
de 18 a 22 degC cercano a la temperatura de confort teacutermico Para este estudio se
escogioacute el PCM 22HC ya que su comportamiento es ideal para la vivienda en
estudio arrojando un 319 (de 263 kW a un 179 kW) de reduccioacuten de
potencias maacuteximas de disentildeo en climatizacioacuten De acuerdo al PCM escogido se
analizoacute el comportamiento del consumo energeacutetico en dos sistemas de
climatizacioacuten Caso 1 Sistema calefaccioacuten a lentildea mostro una reduccioacuten del
consumo energeacutetico de 341 (de 3694 kWh a un 2434 kWh) Para el segundo
caso se evaluoacute un sistema de bomba de calor multisplit al igual que en el caso
anterior el material optimo corresponde al PCM 22HC se observa una
disminucioacuten de consumo energeacutetico de un 344 (de 688 kWh a un 451 kWh) en
comparacioacuten al caso base lo que implica una notable reduccioacuten de los consumos
energeacuteticos en la estacioacuten friacutea Ademaacutes junto con los valores de consumo
energeacutetico se evaluoacute los costos de operacioacuten anual arrojando una disminucioacuten
promedio de 34 debido al aporte de los PCM
En general estos resultados sostienen firmemente que es posible mejorar
la eficiencia del ahorro energeacutetico cuando los PCM se instala en los muros
exteriores maximizando los ahorros energeacuteticos Por lo tanto para lograr la
optimizacioacuten de la envolvente de la vivienda con aplicacioacuten PCM la temperatura
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de fusioacuten fue de 22 deg C y el macro encapsulamiento es de material de aluminio
mejorando su transmitancia teacutermica del flujo de calor en los paneles
constructivos dando como resultado una adecuada actualizacioacuten a la aplicacioacuten
y a la instalacioacuten de los PCM a la vivienda en estudio ubicada en Concepcioacuten
Chile
Los costos de implementacioacuten en la tecnologiacutea pasiva como los PCM tiene
un elevado valor debido al costo del transporte (Alemania) se podriacutea justificar
encargando por mayor estos insumos y aplicarlo a un lote de viviendas
Es importante aplicar el PCM optimizado considerando el enfoque y
variables de disentildeo como la condicioacuten climaacutetica temperatura de fusioacuten de PCM
encapsulamiento y irradiacioacuten solar
La implementacioacuten de esta tecnologiacutea demuestra que aporta en la
reduccioacuten de material particulado en zonas criacuteticas en contaminacioacuten y las
emisiones de CO2 aportando al medio ambiente
Se deberaacute tener en cuenta que las curvas de entalpia y temperatura de los
PCM tanto para refrigeracioacuten y calefaccioacuten deben ser lo maacutes cercana posible de
lo contrario se produciriacutea una histeacuteresis o subenfriamiento y afectariacutea
considerablemente el rendimiento del PCM en su aplicacioacuten
Como investigacioacuten adicional queda por explorar la optimizacioacuten de PCM
aplicado a paredes exteriores con persianas de acristalamiento o invernaderos
adosados al poseer mayor captacioacuten de energiacutea solar tendraacute un mayor
almacenamiento energeacutetico y retraso teacutermico en los muros aplicado con PCM y
obtener una segmentacioacuten de los datos climaacuteticos por zonas para investigar el
comportamiento energeacutetico en aplicaciones pasivas
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
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ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
2242 PCM orgaacutenicos parafinas aacutecidos grasos y mezclas orgaacutenicas 29
22421 Parafinas 31
22422 Aacutecidos Grasos 31
22423 Mezclas euteacutecticas 32
23 Criterios de seleccioacuten de los Materiales con Cambio se Fase 33
24 Vida uacutetil del material cambio fase 34
25 Aplicacioacuten en la construccioacuten 35
26 Encapsulacioacuten 37
261 Microcaacutepsulas 38
262 Macrocaacutepsulas 39
CAPITULO III MEacuteTODOS Y METODOLOGIacuteA 40
31 Herramienta de simulacioacuten de energiacutea 41
32 Descripcioacuten Vivienda en estudio 43
321 Meacutetodo de zona en software EnergyPlus 46
33 Datos meteoroloacutegicos 47
34 Jornadas de ocupacioacuten 48
35 Configuracioacuten envolvente por elemento y sistemas de climatizacioacuten 49
36 Caracterizacioacuten PCM 51
361 Seleccioacuten de Materiales Cambio Fase 52
362 Configuracioacuten del PCM en EnergyPlus 54
363 Cotizacioacuten PCM RT21 55
37 Caracterizacioacuten Macro encapsulacioacuten 56
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371 Cotizacioacuten Macro encapsulacioacuten 56
38 Validacioacuten muro constructivo con PCM 57
381 Cumplimiento de la OGUC y Resistencia al fuego 58
CAPITULO IV RESULTADOS Y DISCUSIOacuteN 62
41 Comportamiento Energeacuteticos de los materiales cambio fase 63
411 Rendimiento energeacutetico de calefaccioacuten con y sin PCM 63
412 Inversioacuten inicial y costos operativos en sistemas de calefaccioacuten con y
sin PCM 67
42 Propuesta de aplicacioacuten PCM a caso base como sistema de
actualizacioacuten 68
CONCLUSIONES 70
REFERENCIAS 72
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Diego Sarabia Meacutendez
INDICE DE FIGURAS
Figura 21 Diagrama de proceso de cambio de fase Hielo ndash Vapor 23
Figura 22 Clasificacioacuten de los Materiales Cambio Fase 26
Figura 23 Estabilizacioacuten de la temperatura interior de un edificio por el efecto
de la inercia teacutermica 36
Figura 24 Espesor requerido de distintos materiales Vs Energiacutea termina 36
Figura 25 Microcaacutepsulas 38
Figura 26 Caacutepsulas de macro PCM (Contenedor plano Esfera Placas de
barra doble) 40
Figura 31 Descripcioacuten Vivienda en estudio 44
Figura 32 Modelo de zona en casa de estudio 46
Figura 33 Zona y sub-superficie de vivienda en estudio 47
Figura 34 Configuracioacuten datos meteoroloacutegico 48
Figura 35 Planilla de uso horario de un recinto 49
Figura 36 Planilla configuracioacuten envolvente por elemento 50
Figura 37 Planilla configuracioacuten rango de temperatura confort teacutermico 51
Figura 38 Planilla configuracioacuten del tipo de sistema de climatizacioacuten 51
Figura 39 Configuracioacuten del PCM en el software 54
Figura 310 Cotizacioacuten del material RT21 55
Figura 311 Modulo Almacenamiento Macro encapsulacioacuten 56
Figura 312 Cotizacioacuten Macro encapsulacioacuten 57
Figura 313 Sistema Constructivo Muro exterior con PCM en vivienda estudio
61
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Diego Sarabia Meacutendez
Figura 41 (a) Potencia maacutexima disentildeo con y sin PCM en vivienda estudio 64
Figura 41 (b) Caso 1 - Consumo energeacutetico en calefaccioacuten Lentildea con y sin
PCM en vivienda estudio 65
Figura 41 (c) Caso 2 - Consumo energeacutetico Bomba de calor con y sin PCM
en vivienda estudio 66
Figura 42 Inversioacuten inicial y costos operativos sistema climatizacioacuten con y sin
PCM en vivienda estudio 68
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Diego Sarabia Meacutendez
INDICE DE TABLAS
Tabla 21 Ventajas e inconvenientes de los PCM inorgaacutenicos 28
Tabla 22 Temperatura de fusioacuten de algunas sales hidratadas 29
Tabla 23 Ventajas e inconvenientes de los PCM orgaacutenicos 30
Tabla 24 Temperatura de fusioacuten de algunas parafinas 31
Tabla 25 Temperatura de fusioacuten de algunos aacutecidos grasos 32
Tabla 26 Clasificacioacuten de los PCMs 32
Tabla 27 Ventajas e inconvenientes de las microcapsulas 38
Tabla 28 Ventajas e inconvenientes de las Macrocaacutepsulas 39
Tabla 31 Resumen superficies de los distintos espacios vivienda en estudio
44
Tabla 32 Cumplimiento de la envolvente elementos constructivos de la
vivienda en estudio 44
Tabla 33 Especificaciones teacutecnicas de PCM a utilizar 52
Tabla 34 Clasificacioacuten de los edificios seguacuten su destino superficie edificada y
nuacutemero de pisos 58
Tabla 35 Resistencia al fuego para diferentes elementos de construccioacuten 59
Tabla 36 Tabique perimetral estructura madera en vivienda en estudio 60
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
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Diego Sarabia Meacutendez
INTRODUCCION
Debido al avance de la ciencia y la tecnologiacutea la calidad de vida y los
sistemas de produccioacuten en la industria han mejorado lo que ha aumentado el
consumo mundial de energiacutea en paiacuteses industrializados y las economiacuteas
emergentes Este aumento en el consumo de energiacutea tiene efectos nocivos sobre
el medio ambiente como el aumento de las emisiones de gases a la atmoacutesfera
entre otros Por lo tanto los paiacuteses estaacuten promoviendo cada vez maacutes nuevas
poliacuteticas energeacuteticas y promoviendo dos tipos de acciones para reducir las
emisiones entre otras aumentar la proporcioacuten de energiacutea renovable y promover
medidas de ahorro y eficiencia energeacutetica Debido a las crecientes
preocupaciones sobre el consumo de energiacutea se necesita urgentemente maacutes
investigacioacuten
Entre las medidas de eficiencia energeacutetica surge la necesidad de estudiar
el uso de energiacutea solar a traveacutes de la aplicacioacuten de materiales de cambio de fase
(PCM seguacuten sus siglas en ingleacutes Phase Change Materials) Estudios recientes
sobre materiales de cambio de fase han demostrado que hay varios aspectos
para mejorar en la aplicacioacuten y caracterizacioacuten de estos materiales (Anisur
2013)
Actualmente el sector de la construccioacuten contribuye considerablemente al
consumo total de energiacutea y las emisiones de gases de efecto invernadero a la
atmoacutesfera Los edificios consumen maacutes del 40 de la energiacutea primaria del
mundo que es responsable del 30 de las emisiones de gases de efecto
invernadero (Thorpe 2011)
A nivel local el sector residencial es responsable de las altas demandas
energeacuteticas equivalente a 23 del consumo energeacutetico nivel paiacutes Del parque
habitacional existente en Chile 75 fue construido sin consideraciones teacutermicas
y de eficiencia energeacutetica dicha situacioacuten provoca que el usuario asuma el costo
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
del consumo energeacutetico en calefaccioacuten y refrigeracioacuten para mantener la vivienda
en zona confort (Wegertseder 2015)
Tradicionalmente el consumo de energiacutea se reduce mediante el uso de
aislamiento teacutermico de alta calidad en la envolvente de un edificio para reducir la
transferencia de calor entre el interior y exterior (Zhou D Tian Y Qu Y amp
Chen Y K 2016) Un aumento en la eficiencia de los sistemas de calefaccioacuten
ventilacioacuten y aire acondicionado (HVAC) tambieacuten ha sido responsable de una
reduccioacuten en el consumo de energiacutea sin embargo las mejoras en la eficiencia
energeacutetica no deben limitarse a estos enfoques
Un estudio de investigacioacuten describioacute que el aumento de la inercia teacutermica
del edificio reduce la cantidad de energiacutea utilizada para calefaccioacuten y refrigeracioacuten
(Ling H Chen C Qin H Wei S Lin J Li N) ya que reduce las
fluctuaciones en la temperatura interior ayudando a mantener el espacio interno
dentro del rango de confort teacutermico y reduciendo la necesidad de utilizar sistemas
de aire acondicionado
El almacenamiento de energiacutea se puede implementar mediante calor
sensible aumentando y disminuyendo la temperatura de los recubrimientos de
edificios o mediante calor latente Con la inclusioacuten de materiales de cambio de
fase conduce a una mayor densidad de energiacutea teacutermica Los materiales de
cambio de fase estaacuten asociados con el almacenamiento de calor latente (LHS)
con su principal ventaja de tener una alta densidad de almacenamiento a
temperatura constante Por lo tanto los materiales de cambio de fase han
demostrado que su almacenamiento de energiacutea teacutermica latente se puede utilizar
para calentar y enfriar a sistemas de construccioacuten pasivos o activos (B Zalba J
Marin L Cabeza y H Mehling 2003)
Investigaciones maacutes recientes han estudiado sus propiedades fiacutesicas
quiacutemicas cineacuteticas y especialmente teacutermicas para seleccionar el material de
cambio de fase maacutes adecuado para la presente investigacioacuten (Ramiacuterez A
Santos A amp Gonzaacutelez N 2012)
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
El intereacutes sostenido en comprender la importancia de los materiales de
cambio fase llevoacute a investigar el disentildeo del elemento constructivo con los PCM
incorporados para reducir la demanda energeacutetica de la vivienda en estudio y
contribuir a mejoras de condiciones de habitualidad Aquiacute se utilizoacute la
herramienta simulacioacuten Energy Plus para evaluar el rendimiento teacutermico de una
vivienda en estudio ubicada en la ciudad de Concepcioacuten de la regioacuten del Biacuteo-Biacuteo
Chile
En este estudio se demostroacute que es posible maximizar la eficiencia del
ahorro de energiacutea en sistemas activos de climatizacioacuten al optimizar el PCM
aplicado a las paredes exteriores Se identificoacute que los materiales de cambio de
fase son una contribucioacuten a la implementacioacuten del acondicionamiento pasivo
debido a su gran almacenamiento energeacutetico
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
CAPITULO I ENUNCIADO DE LA INVESTIGACIOacuteN
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
11 Planteamiento del problema
En la actualidad las necesidades energeacuteticas a nivel mundial han
aumentado de manera significativa por distintas razones Hoy en diacutea los edificios
consumen maacutes del 40 de la energiacutea primaria del mundo que son responsables
del 30 de las emisiones de gases de efecto invernadero (Thorpe 2011)
A nivel local el sector residencial es responsable de las altas demandas
energeacuteticas equivalente a 23 del consumo energeacutetico nivel paiacutes Del parque
habitacional existente en Chile 75 fue construido sin consideraciones teacutermicas
y de eficiencia energeacutetica dicha situacioacuten provoca que el usuario asuma el costo
del consumo energeacutetico para mantener la vivienda en zona confort (Wegertseder
2015)
Se estima que el sector de la construccioacuten es el responsable de generar
el 33 del total de emisiones de gases de efecto invernadero (MINVU 2018)
A traveacutes de un estudio realizado el antildeo 2019 por la Caacutemara Chilena de
la Construccioacuten sobre los usos de la energiacutea en el sector residencial declara que
el 53 del consumo total de la vivienda chilena es destinado a calefaccioacuten (CDT
2019)
Una forma eficiente de reducir el consumo de energiacutea para calefaccioacuten o
refrigeracioacuten en los espacios es aumentar la inercia teacutermica de un edificio De
esta manera las temperaturas interiores son menos sensibles a las variaciones
de la temperatura exterior y se requiere menos energiacutea para mantenerlas en el
rango de confort teacutermico Un edificio con una estructura de marco de concreto
tendraacute una mayor inercia teacutermica que un edificio con una estructura de marco de
acero o madera (Soares N Costa J J Gaspar A R amp Santos P 2013) Una
forma de aumentar la inercia teacutermica de un edificio es utilizar el almacenamiento
de calor latente (LHS) que es la energiacutea que almacena un material cuando sufre
un cambio de fase (Akeiber H Nejat P Majid M Z A Wahid M A
Jomehzadeh F Zeynali Famileh IZaki S A 2016)
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
El material de cambio de fase (PCM) es un tipo de material que
experimenta un cambio de fase en este caso de liacutequido a soacutelido a una
temperatura dentro del rango de confort teacutermico Este tipo de material tiene la
capacidad de almacenar grandes cantidades de energiacutea en comparacioacuten con los
materiales de construccioacuten tradicionales que solo almacenan calor sensible Por
ejemplo una pared que contiene PCM con 25 mm de espesor almacena
aproximadamente la misma energiacutea que una pared de concreto con 420 mm de
espesor (Al-Saadi S N amp Zhai Z 2013) Los PCM tienen un gran potencial
para aumentar la inercia teacutermica de un edificio debido a su gran LHS por lo tanto
son especialmente uacutetiles en edificios de construccioacuten livianas en seco como
estructuras reticulares en madera o acero galvanizados (Marin P Saffari M de
Gracia A Zhu X Farid M M Cabeza L F amp Ushak S 2016) Esto permite
que el edificio tenga menor peso un aacuterea uacutetil mayor y auacuten mantenga una alta
inercia teacutermica
Cuando los PCM cambian su estado de liacutequido a soacutelido liberan calor
latente y cuando cambian de soacutelido a liacutequido absorben calor latente Cuando este
proceso ocurre a una temperatura entre 19-27 degC el material contribuye a
aumentar el confort teacutermico porque ayuda a mantener la temperatura interna
dentro de este rango Durante el diacutea cuando hay demasiadas ganancias de
radiacioacuten solar este material cambia su fase de soacutelido a liacutequido absorbiendo
calor y evitando un aumento significativo de la temperatura interior Por la noche
cuando la temperatura exterior baja el material cambia su fase de liacutequido a
soacutelido liberando calor y evitando una gran disipacioacuten de energiacutea en el interior de
la vivienda (Jamil H Alam M Sanjayan J amp Wilson J 2017)
Durante el verano puede ocurrir un sobrecalentamiento en el muro y
hacer que se use un PCM que se derrita a altas temperaturas (alrededor de
26 degC) ya que evitaraacute que la temperatura de una habitacioacuten elevaacutendose por
encima del rango de confort teacutermico Si el objetivo es la estabilizacioacuten de la
temperatura interior en la zona de confort un PCM que se derrita a 23 degC deberiacutea
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
ser la mejor opcioacuten En el invierno puede ser necesario evitar que la temperatura
de una habitacioacuten baje por debajo del rango de confort teacutermico y en este caso
se recomienda un PCM que solidifique alrededor de 21 degC (Soares N Gaspar
A R Santos P amp Costa J 2014)
Esta tecnologiacutea no solo tiene el potencial de ahorrar cantidades
considerables de energiacutea y emisiones de CO2 sino que tambieacuten se puede utilizar
para aprovechar los precios pico de electricidad utilizando las unidades de aire
acondicionado cuando hay una menor demanda en la red eleacutectrica Por ejemplo
en invierno la unidad de aire acondicionado (AC) podriacutea funcionar durante la
noche produciendo calor que seriacutea absorbido por el tablero PCM y luego liberado
por eacutel durante el diacutea cuando los precios de la electricidad son mucho maacutes altos
(Devaux P amp Farid M 2017) Esto tambieacuten como la ventaja de evitar el ruido y
las corrientes de aire causadas por las unidades de CA durante las horas de
trabajo de una oficina
Aunque esta tecnologiacutea tiene un gran potencial en almacenar energiacutea
con respecto a otros materiales existe el problema de la baja transferencia de
calor porque estos materiales generalmente tienen baja conductividad teacutermica lo
que hace que la absorcioacuten y liberacioacuten de calor por parte del PCM sea mucho
maacutes difiacutecil (Fan L amp Khodadadi J M 2011)
Para aprovechar la gran capacidad de almacenamiento de calor latente
la temperatura de una zona debe estar cerca de la temperatura de cambio de
fase de lo contrario un PCM solo almacena calor sensible que es insignificante
en comparacioacuten al calor latente (Chwieduk 2013)
Investigadores concluyen sobre acondicionamiento teacutermico en
envolventes de viviendas utilizando materiales de cambio de fase que la
implementacioacuten adecuada de los PCM en una edificacioacuten puede un 35 reducir
el consumo energeacutetico y por lo tanto es posible usar equipos de
acondicionamiento teacutermico de menor potencia e incluso prescindir de ellos (Bello
R E Muntildeoz M M Vasco C 2015)
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
En el desarrollo de aplicaciones para los PCM un investigador disentildeoacute un
muro con material de cambio de fase y para probar su funcionamiento utilizoacute dos
habitaciones ideacutenticas En la primera habitacioacuten los muros teniacutean un enlucido de
yeso normal y en la segunda habitacioacuten el muro poseiacutea una placa de yeso
revestido con micro encapsulacioacuten de PCM (50 butil estearato y 48 palmitato
de butilo) Resultoacute que la habitacioacuten con material cambio de fase una reduccioacuten
energeacutetica de 22 (Scalat S Banu D Hawes D Paris J Haghighata F
Feldman D 1996)
Los investigadores a nivel mundial han creado estrategias para
solucionar el consumo energeacutetico En Chile auacuten no se analiza en forma
sistemaacutetica considerando que seriacutea de gran ayuda para disminuir el consumo
energeacutetico residencial
Por todo lo anteriormente mencionado se establece que esta
investigacioacuten estaraacute orientada al estudio de materiales con cambio de fase
simulando su comportamiento teacutermico de una vivienda en estudio ubicada en la
ciudad de Concepcioacuten de la regioacuten del Biacuteo-Biacuteo utilizando el software Energy Plus
12 Preguntas de investigacioacuten
iquestEs posible disminuir la demanda energeacutetica de una vivienda en estudio
incorporando materiales con cambio de fase
iquestQueacute material PCM es conveniente utilizar en los muros de la vivienda en
estudio
iquestQueacute comportamiento tendraacuten los PCM en la simulacioacuten
13 Hipoacutetesis
Se puede mejorar la habitabilidad y reducir un 30 la demanda energeacutetica
de una vivienda en estudio en la ciudad de Concepcioacuten mejorando el
almacenamiento teacutermico de sus muros incorporando material con cambio de fase
(PCM)
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
20
Diego Sarabia Meacutendez
14 Objetivos
141 Objetivo general
Proponer una metodologiacutea de evaluacioacuten en funcioacuten de la realidad local
que permitiraacute analizar la potencialidad en aplicar los materiales cambio de fase
en las construcciones chilenas contribuyendo a mejorar las condiciones de
habitabilidad
142 Objetivos especiacuteficos
Identificar materiales con cambio de fase (PCM) utilizados como estrategia
de calefaccioacuten pasiva en edificacioacuten Con la validacioacuten de todos los
reglamentos en Chile
Definir el sistema constructivo del muro exterior en cuanto a la ubicacioacuten
del PCM
Definir materiales con cambio de fase en relacioacuten de sus propiedades
teacutermicas para realizar simulacioacuten energeacutetica
Definir metodologiacutea de caacutelculo y estimar ahorros energeacuteticos para la zona
en funcioacuten del material base
Obtener simulaciones de demanda energeacutetica para la vivienda en estudio
con y sin materiales de cambio de fase incorporados en sus muros
mediante el software Energy Plus
Optimizar el disentildeo de la solucioacuten constructiva con PCM en relacioacuten a los
datos de la zonificacioacuten
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
CAPITULO II MARCO TEOacuteRICO
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
21 Marco Teoacuterico
A continuacioacuten se nombraraacute conceptos esenciales que aborda la
investigacioacuten tales como aislacioacuten teacutermica conductividad teacutermica confort
teacutermico y Inercia teacutermica
Cabe de destacar que la inercia teacutermica juega un papel importante en los
sistemas de calefaccioacuten pasiva ya que el retraso teacutermico puede ser mayor o
menor dependiendo el espesor y materialidad
La inercia teacutermica permite ir liberando el calor acumulado en los elementos
compuestos por materiales pesados en la vivienda de manera tal que durante
la noche cuando la temperatura desciende esta baja sea amortiguada por el calor
cedido
En el verano la envolvente se encuentra expuesta a la radiacioacuten solar y al
soleamiento por lo tanto debe ser capaz de almacenar el calor obtenido desde
el exterior y asiacute evitar que la temperatura en el interior del recinto sea elevada
durante el diacutea generando una peacuterdida de confort (CCHC 2010)
22 Materiales con cambio de fase (PCM)
Un PCM es una sustancia capaz de almacenar y liberar energiacutea del medio
que le rodea manteniendo la temperatura constante durante la transferencia de
calor Este intercambio de energiacutea se denomina calor latente de un material y se
produce durante el cambio de fase del mismo El intereacutes de estos materiales es
que durante el cambio de fase la temperatura media se mantiene constante
mientras el material absorbe o libera energiacutea durante la etapa de fusioacuten o
solidificacioacuten del material Esto supone una mayor densidad energeacutetica en este
proceso respecto a un intercambio por calor sensible
En una investigacioacuten sobre PCM afirma que estos mediante su calor
latente de fusioacuten almacenan de 5 a 14 veces maacutes calor por unidad de volumen
que materiales por almacenamiento de calor sensible como el agua albantildeileriacutea
o rocas entre otras (Sharma 2009)
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
23
Diego Sarabia Meacutendez
Para la investigacioacuten se estudioacute materiales cambio fase de estado liacutequido-
solido ya que aunque la cantidad de energiacutea almacenada es inferior que entre
otros cambios de estado (solido-gas) la variacioacuten de volumen del estado es
menor
221 Funcionamiento
La mejor forma para explicar el funcionamiento de estos materiales es
estudiando el proceso de cambio de fase del agua en estado liacutequido el agua va
aumentando su temperatura progresivamente hasta alcanzar los 100degC Una vez
alcanza esta temperatura empieza su cambio de estado en el cual absorberaacute
calor pero mantendraacute una temperatura constante de 100degC hasta que finalice su
cambio de fase y todo el liacutequido se haya convertido en vapor De manera inversa
ocurre cuando la temperatura del agua disminuye hasta alcanzar los 0degC En este
caso el agua empezaraacute a liberar calor y durante este proceso mantendraacute su
temperatura constante en 0degC hasta que complete su solidificacioacuten y todo el
liacutequido se haya convertido en hielo (B Zalba J Marin L Cabeza y H Mehling
2003)
En la Figura 21 se observa coacutemo la temperatura se mantiene constante
en 0degC formando una recta horizontal durante su cambio de fase y posteriormente
en 100degC hasta que se convierte en vapor
Figura 21 Diagrama de proceso de cambio de fase Hielo ndash Vapor
Fuente (B Zalba J Marin L Cabeza y H Mehling 2003)
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
Del mismo modo actuacutean los PCM cada uno tiene su propia temperatura
de cambio de fase y gracias a las variaciones de temperatura entre el diacutea y la
noche ocurren los ciclos de fusioacuten y solidificacioacuten de estos materiales resultando
en la absorcioacuten maacutexima de energiacutea durante el diacutea cuando las temperaturas
suben y la disipacioacuten de eacutesta en la noche cuando la temperatura ambiente baja
La energiacutea utilizada para cambiar el estado del material dado que la temperatura
de cambio de fase es aproximada a la temperatura ambiente de confort deseada
daraacute lugar a un clima interior maacutes estable y coacutemodo asiacute como tambieacuten reduciraacute
las cargas de enfriamiento y calefaccioacuten en horas pico especialmente en
aquellas edificaciones con baja masa teacutermica (S E Kalnaes and B P Jelle
2015)
222 Propiedades
A continuacioacuten se describiraacuten las propiedades maacutes relevantes que definen un
material de cambio de fase (Oroacute 2012)
a) Propiedades Termofisica
Temperatura de fusioacuten (Tf) en el rango de funcionamiento seguacuten la
aplicacioacuten
Alto calor latente de fusioacuten (ΔHf) por unidad de volumen
Alto calor especiacutefico para proporcionar calor sensible adicional
significativo
Alta conductividad teacutermica en fase soacutelida y liacutequida (buena transferencia de
calor)
Baja variacioacuten de volumen en el cambio de fase y baja presioacuten de vapor a
la temperatura de funcionamiento
Fusioacuten congruente del material de cambio de fase con cada ciclo de
solidificacioacutenfusioacuten con el miacutenimo sub-enfriamiento
Cambio de fase ciclo continuo con termino de vida uacutetil
Alta densidad
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
25
Diego Sarabia Meacutendez
b) Propiedades quiacutemicas
Ciclo de solidificacioacutenfusioacuten reversible y completo
Baja degradacioacuten despueacutes de un elevado nuacutemero de ciclos de
fusioacutensolidificacioacuten
No corrosivo para los materiales encapsulados
No toacutexico no inflamable y no explosivo
c) Econoacutemicas
Abundante y disponible
Rentable en relacioacuten al ahorro energeacutetico y costos del material
Faacutecil reciclaje y tratamiento quiacutemicos
223 Almacenamiento de energiacutea teacutermica
La necesidad de almacenamiento energeacutetico y de buscar formas de
acondicionamiento pasivo es lo que inspira a la investigacioacuten a centrarse en el
almacenamiento teacutermico Es fundamental para el desarrollo del paiacutes disminuir la
demanda energeacutetica sin sacrificar el confort (PRIEN 2002)
En esta seccioacuten de la investigacioacuten se daraacute a conocer las formas de
almacenamiento teacutermico existentes y dando eacutenfasis al almacenamiento
energeacutetico por calor latente donde pertenecen los materiales de cambio fase
(PCM)
El equilibrio termodinaacutemico de los PCM se debe principalmente a los
intercambios de calor con el entorno externo El tiempo para que el PCM alcance
el nuevo equilibrio termodinaacutemico es el tiempo necesario para que el calor sea
intercambiado con el espacio a climatizar Los paraacutemetros baacutesicos de los
materiales de cambio de fase incluyen seguacuten ecuacioacuten (1)
bull Capacidad caloriacutefica [J kg]
119876 = int 119862119901119904 119889119905 + 119862119898 + int 119862119901119897 119889119905 cong 119862119901119904(119879119898 minus 1198791) + 119862119898 + 1198792
119879119898
119879119898
1198791
119862119901119897(1198792 minus 1198791)
Ec 1
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
26
Diego Sarabia Meacutendez
Donde 119862119901119904 o 119862119901119897 Calor especiacutefico soacutelido y liacutequido kJ(kg times K) 119862119898 Calor
de transformacioacuten de fase (fusioacuten) kJ(kg times K) Tm - temperatura de transicioacuten
de fase (fusioacuten) T1 T2 rango de temperatura de funcionamiento de operacioacuten
224 Clasificacioacuten
Actualmente existe un gran nuacutemero de materiales cambio fase que han
sido investigados debido a que poseen una temperatura y un alto calor latente
de fusioacuten dentro del rango operacional deseado sin embargo exceptuando por
esta caracteriacutestica la mayoriacutea de estos materiales no satisfacen los otros
criterios necesarios para un medio de almacenamiento adecuado (Sharma
2009)
Aquellos que siacute responden a estas prestaciones y se encuentran disponibles en
el mercado pueden ser clasificados en tres grandes grupos orgaacutenicos
inorgaacutenicos y euteacutecticos (V Tyagi amp D Buddhi 2007)
Figura 22 Clasificacioacuten de los Materiales Cambio Fase
Fuente Elaboracioacuten Propia
Materiales Cambio Fase
Organico
Parafina Acido Graso
Inorganico
Sal Hidratada
Metalico
Eutectico
Inorganico -Inorganico
Inorganico -Organico
Organico -Organico
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
Los materiales de cambio de fase liquido-solido maacutes comunes estaacuten en el
rango de temperaturas entre 20degC y 80 degC son las ceras de parafina sales
hidratadas mezclas euteacutecticas y aacutecidos grasos
Las ceras de parafina estaacuten disponibles en el mercado pero su calor
latente (hasta 200 kJkg) es solo la mitad del de las sales hidratadas
Las sales hidratadas son maacutes econoacutemicas que las ceras de parafina y
tambieacuten estaacuten disponibles en el mercado pero tienen algunas desventajas como
las bajas temperaturas de fusioacuten o la corrosioacuten en contacto con metales
En las mezclas euteacutecticas intervienen dos componentes con punto de
fusioacuten (solidificacioacuten) maacutes bajo que el que poseen los compuestos
individualmente Esto hace que la mezcla alcance el punto de congelacioacuten maacutes
bajo posible y ambos se solidifiquen a esa temperatura euteacutectica (Ramiacuterez A
Santos A amp Gonzaacutelez N 2012)
Los PCM tienen una significativa capacidad de almacenar calor por medio
del cambio de estado pero es necesario tener en cuenta los paraacutemetros de
disentildeo del problema y las ventajas y desventajas de los diferentes tipos de
materiales para determinar cuaacuteles son los maacutes apropiados de utilizar en la
construccioacuten dependiendo de sus diferentes caracteriacutesticas y maacutes importante
aun dependiendo de si su temperatura de cambio de fase se acerca a la
temperatura de confort
2241 PCM inorgaacutenicos sales hidratadas
Seguacuten varios investigadores estos materiales fueron muy estudiados en
las primeras etapas de investigacioacuten de PCM por su bajo costo y su capacidad
de almacenamiento de grandes cantidades de calor por unidad de volumen en
comparacioacuten con las sustancias orgaacutenicas que las convierten en candidatos
idoacuteneos para sus muacuteltiples aplicaciones en el aacutembito del almacenamiento de
energiacutea
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
La buacutesqueda de sustancias con temperatura de cambio de fase proacutexima a
la temperatura ambiente no ha encontrado buenos candidatos dentro de este
grupo y las investigaciones se han dirigido maacutes hacia las sustancias orgaacutenicas
Tabla 21 Ventajas e inconvenientes de los PCM inorgaacutenicos
Ventajas Inconvenientes
Econoacutemicos Problemas en el encapsulado y preparacioacuten
del material
Elevada densidad de
almacenamiento teacutermico
Para un uso prolongado necesita de aditivos
Elevada conductividad teacutermica Son susceptibles de sub enfriamiento
(Inestables)
Temperatura de cambio de fase
claramente definida
Debido a la inestabilidad teacutermica y histeacuteresis
se debe aplicar aditivos para evitar una fusioacuten
incongruente en su aplicacioacuten donde puede
reducir su capacidad de almacenamiento de
calor latente
No inflamables Potencialmente corrosivos con algunos
metales
Reciclables y biodegradables
Fuente (Ramiacuterez A Santos A amp Gonzaacutelez N 2012)
Las sales hidratadas tienen algunas propiedades atractivas como los
elevados valores de calor latente no son inflamables y su elevado contenido
hiacutedrico significa que son baratos y muy disponibles Sin embargo sus
caracteriacutesticas de inadaptacioacuten (corrosioacuten inestabilidad dificultades de re-
solidificacioacuten y tendencia al sub enfriamiento) han implicado la realizacioacuten de
estudios hasta la actualidad para poder manejar estas desventajas y realizar su
correcta aplicacioacuten Necesitan por tanto un contenedor para utilizarlos como
aditivos de otros materiales (Ramiacuterez A Santos A amp Gonzaacutelez N 2012)
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
Tabla 22 Temperatura de fusioacuten de algunas sales hidratadas
PCM Temperatura
fusioacuten (ordmC)
Q fusioacuten (kJkg)
KFmiddot4H2O 185 231
Na2SO4middot10H2O 324 254
CaCl2middot6H2O 24ndash29 192
CaCl2middot6H2O+Nucleador+MgCl2middot6H2O 23 -
Fuente (Ramiacuterez A Santos A amp Gonzaacutelez N 2012)
En la tabla 21 se muestran algunas ventajas y desventajas de los PCM
inorgaacutenicos y en la tabla 22 se muestran las temperaturas de fusioacuten de las sales
hidratadas que permiten determinar cuaacuteles son las oacuteptimas para utilizar en
aislacioacuten (las cuales su temperatura de fusioacuten se acerca a la temperatura de
confort)
2242 PCM orgaacutenicos parafinas aacutecidos grasos y mezclas orgaacutenicas
Los PCM orgaacutenicos poseen unas caracteriacutesticas que los hacen muy uacutetiles
en su aplicacioacuten en determinados elementos constructivos para almacenamiento
de calor latente
Investigadores determinaron que son maacutes estables quiacutemicamente que las
sustancias inorgaacutenicas funden y solidifican convenientemente sin necesidad de
agentes nucleadores y no sufren sub-enfriamiento o histeacuteresis (Gawron 1981)
No obstante se ha demostrado que son maacutes compatibles y adecuados para la
adsorcioacuten en varios materiales constructivos Aunque el costo inicial en materia
prima de un PCM orgaacutenico es superior al de un inorgaacutenico su costo final es
competitivo
Sin embargo estos materiales tienen otras desventajas la maacutes
significativa es que son inflamables y que emiten gases nocivos durante su
combustioacuten Otros problemas menos extendidos son las reacciones con los
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
productos de la hidratacioacuten en hormigoacuten (hidroacutexido de calcio) envejecimiento por
oxidacioacuten y cambios de olor
Muchos de estos inconvenientes se han eliminado Se ha visto que el
envejecimiento por oxidacioacuten de los PCM puede inhibirse utilizando un oxidante
adecuado Se estaacute investigando tambieacuten en la emisioacuten de gases y la
inflamabilidad de algunos de los PCM maacutes efectivos para establecer un radio de
ignicioacuten Tambieacuten se estaacute investigando sobre la compatibilidad de los PCM con
el hormigoacuten (Ramiacuterez A Santos A amp Gonzaacutelez N 2012)
En la tabla 23 se muestran algunas ventajas y desventajas de los PCM
orgaacutenicos y en la tabla 24 y 25 se muestran las temperaturas de fusioacuten de las
parafinas y aacutecidos grasos que permiten determinar cuaacuteles son las oacuteptimas para
utilizar en aislacioacuten (las cuales su temperatura de fusioacuten se acerca a la
temperatura de confort)
Tabla 23 Ventajas e inconvenientes de los PCM orgaacutenicos
Ventajas Inconvenientes
Faacuteciles de usar Calor latente y entalpiacutea maacutes bajos
Estabilidad teacutermica y quiacutemica Baja conductividad teacutermica
No sufren subenfriamiento Amplio rango de fusioacuten
No necesitan agente nucleador para
solidificar
Inflamables
No corrosivos Reaccioacuten potencial con hormigoacuten
Reciclables y ecoloacutegicamente inocuos Alto costo
Compatibilidad con materiales de construccioacuten convencionales
Fuente (Ramiacuterez A Santos A amp Gonzaacutelez N 2012)
Dentro de los PCM orgaacutenicos se pueden encontrar tres grupos de
sustancias diferentes parafinas aacutecidos grasos y mezclas orgaacutenicas A
continuacioacuten se presenta una pequentildea descripcioacuten de estos (Ramiacuterez A
Santos A amp Gonzaacutelez N 2012)
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
22421 Parafinas
Las parafinas son esencialmente un alcalino solido refinado Muestran dos
rangos de enfriamiento un rango maacutes estrecho para un breve periodo de tiempo
y un rango maacutes extenso que ocurre durante un periodo maacutes amplio Ambos se
interpretan como una transicioacuten de liacutequido a amorfo-soacutelida y amorfo-solida a
cristalino-solida respectivamente Parte del calor latente total de fusioacuten se
almacena en la sustancia durante cada una de estas transiciones
Tabla 24 Temperatura de fusioacuten de algunas parafinas
PCM Temperatura fusioacuten (ordmC) Q fusioacuten (kJkg)
Hexadecano 18 236
Heptadecano 22 214
Octadecano 28 244
Parafina 20ndash60 200
RT25 25 147
Fuente (Ramiacuterez A Santos A amp Gonzaacutelez N 2012)
22422 Aacutecidos Grasos
Los aacutecidos grasos derivados de productos animales y vegetales estaacuten
constituidos por una larga cadena alifaacutetica maacutes de 12 carbonos Su cadena
alquiacutelica puede ser saturada o insaturada
En general muestran excelentes caracteriacutesticas teacutermicas (punto de fusioacuten
y congelacioacuten) El rango de temperatura de refrigeracioacuten es grande y no se
produce sub enfriamiento aunque en algunos casos se han detectado Estos
materiales sin embargo tienen elevado costo pudieacutendose utilizar en dispositivos
especiales de almacenamiento de calor o frio
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
Tabla 25 Temperatura de fusioacuten de algunos aacutecidos grasos
PCM Temperatura fusioacuten (ordmC) Q fusioacuten (kJkg)
Caacuteprico 315 158
Laacuteurico 42-44 179
Pentadecano 52 159
Miriacutestico 54 190
Palmiacutetico 63 183
Esteaacuterico 70 196
Eritrol 116-118 126
Fuente (Ramiacuterez A Santos A amp Gonzaacutelez N 2012)
2243 Mezclas euteacutecticas
Tambieacuten existen las mezclas euteacutecticas que puede ser la mezcla de 2
PCM orgaacutenicos de 2 PCM inorgaacutenicos o de un PCM Orgaacutenico maacutes un PCM
inorgaacutenico A continuacioacuten en la tabla 26 se muestra la clasificacioacuten de los PCM
Tabla 26 Clasificacioacuten de los PCMs
Tipo PCM Composicioacuten
Orgaacutenicos Compuestos de parafina
Compuestos sin parafina
Inorgaacutenicos Sales hidratadas
Metaacutelicos
Euteacutecticos Orgaacutenico-Orgaacutenico
Orgaacutenico-Inorgaacutenico
Inorgaacutenico-Inorgaacutenico
Fuente (JuarezD Balart R Ferrandiz S amp Garcia D 2012)
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
23 Criterios de seleccioacuten de los Materiales con Cambio se Fase
Es muy importante la correcta seleccioacuten del material de cambio de fase
dependiendo del campo en que se desee utilizar por lo que a continuacioacuten se
presentaran algunos criterios para seleccionar un PCM correctamente Estos
criterios son propuestos seguacuten una investigacioacuten realizada en Espantildea (Ramiacuterez
A Santos A amp Gonzaacutelez N 2012)
a) Fiacutesicas
bull La densidad del liacutequido y del solido deben ser similares y preferiblemente
elevadas para poder almacenar mayor cantidad de calor por unidad de volumen
bull Variacioacuten de volumen (en el cambio de fase) bajo
b) Cineacuteticas
bull Evitar el problema de histeacuteresis subenfriamiento o retardo al inicio de la
solidificacioacuten como ocurre en los PCM inorgaacutenicos que se produce al no ceder
el calor latente de un PCM pese a que su temperatura sea inferior al punto de
congelacioacuten
c) Quiacutemicas
bull El proceso de cambio de fase debe ser totalmente reversible y solo dependiente
de la temperatura
bull Ser quiacutemicamente estables en el tiempo evitando su descomposicioacuten y
contaminacioacuten
bull No presentar segregacioacuten de fases
bull Ser compatibles con los materiales de encapsulado y otros con los que esteacute en
contacto estabilidad quiacutemica para evitar oxidacioacuten descomposicioacuten teacutermica
hidroacutelisis corrosioacuten y otras reacciones
bull No inflamables y resistentes al fuego
d) Teacutermicas
bull La temperatura de cambio de fase debe ser adecuada a cada aplicacioacuten
particular
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
bull Presentar una temperatura de fusioacuten definida o al menos el cambio de fase
debe producirse en un valor discreto o en un pequentildeo intervalo de temperaturas
bull Poseer una gran capacidad de almacenamiento de calor sensible (calor
especiacutefico) en estado soacutelido y liacutequido y elevada entalpia de cambio de fase calor
latente
bull Poseer una alta conductividad teacutermica para facilitar la transferencia de calor
e) Econoacutemicas
bull Estar disponible en grandes cantidades a bajo costo para que sean viables
teacutecnica y econoacutemicamente
bull Tener un razonable ciclo de vida uacutetil de acuerdo con su costo
24 Vida uacutetil del material cambio fase
El tiempo de vida uacutetil de un PCM viene determinado por la cantidad de
ciclos teacutermicos que es capaz de soportar un material manteniendo su estabilidad
teacutermica El PCM es sometido a repetidos ciclos de calentamiento y enfriamiento
en los que el material cambia de fase de soacutelido a liacutequido y posteriormente vuelve
a cambiar de fase de liacutequido a soacutelido Se miden sus propiedades teacutermicas en
temperaturas fusioacuten y entalpias obteniendo el nuacutemero de ciclos en los que las
propiedades teacutermicas del material no variacutean de forma considerable
Tras realizar una exhaustiva buacutesqueda existe muy poca bibliografiacutea
acerca de la degradacioacuten teacutermica de los PCM y la determinacioacuten de su tiempo de
uso especialmente en aplicaciones para edificacioacuten donde la vida uacutetil del material
debe ser elevada
Aunque es complicado conocer la vida uacutetil real de estos materiales y en
queacute momento dejan de conservar sus propiedades adecuadas para las
aplicaciones a las que se destina existen algunos artiacuteculos basados en
experimentos realizados en laboratorios de materiales sometidos a ciclos
teacutermicos acelerados para determinar si en un nuacutemero de ciclos el material
mantiene sus propiedades teacutermicas intactas (temperaturas fusioacuten y entalpias)
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
Algunos materiales son sometidos a 50 100 1000 o hasta 5000 ciclos teacutermicos
Pero el problema es determinar si ese maacuteximo de 5000 ciclos es suficiente para
asegurar que un material seguiraacute cumpliendo su funcioacuten Hasta el momento no
se ha encontrado en la literatura ninguna investigacioacuten donde se ensaye el
material un nuacutemero suficiente de ciclos hasta la peacuterdida de sus propiedades
teacutermicas para poder conocer su vida uacutetil o el nuacutemero de ciclos que es capaz de
soportar el PCM hasta su degradacioacuten
Por todo lo anteriormente expuesto en esta investigacioacuten se ha
considerado la vida uacutetil del material como el mayor nuacutemero de ciclos soportados
por un material obtenidos a partir de los estudios realizados por diferentes autores
en la literatura o fabricante a pesar de no haber llegado a degradarse en su
totalidad
25 Aplicacioacuten en la construccioacuten
El sector de la construccioacuten es el que maacutes beneficios puede obtener de la
utilizacioacuten de materiales con cambio de fase (PCM) ya que tiene importantes
beneficios en ahorro energeacutetico reducir la contaminacioacuten de CO2 y optimizar la
inercia teacutermica en las edificaciones con el objetivo de mejorar la habitabilidad de
los usuarios
La temperatura interior en un edificio depende de las condiciones
exteriores interiores y de las caracteriacutesticas teacutermicas de la edificacioacuten como la
capacidad teacutermica de los materiales que tiene un efecto como el mostrado en la
figura 23 el cual no considera un sistema activo en su anaacutelisis
Figura 23 Estabilizacioacuten de la temperatura interior por el efecto inercia teacutermica
Fuente (M Kenisarin amp K Mahkamov 2007)
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
Actualmente la mayoriacutea de los materiales de construccioacuten son livianos lo
que trae como consecuencia una baja capacidad caloriacutefica La introduccioacuten de
materiales de cambio de fase puede aumentar la inercia teacutermica del edificio sin
aumentar mucho su peso Sin embargo es necesario disponer de aacuterea de
transferencia de calor suficiente para liberar esa energiacutea (Dincer I amp Rosen M
2002) y es imprescindible que se pueda descargar el material por medio de la
ventilacioacuten durante la noche para prevenir el sobrecalentamiento en los
elementos con PCM (M Kenisarin amp K Mahkamov 2007)
La Figura 24 muestra una comparacioacuten entre el espesor de material
requerido para obtener la misma capacidad teacutermica que la obtenida con un
centiacutemetro de PCM
Figura 24 Espesor requerido de distintos materiales Vs Energiacutea teacutermica
Fuente (M Kenisarin amp K Mahkamov 2007)
Las caracteriacutesticas requeridas para el empleo de materiales de cambio de
fase en la edificacioacuten son
0 5 10 15 20 25 30 35 40
Yeso
Madera
Hormigon
Ceramico
Ladrillo
PCM
Espesor (cm)
H (
kJK
g)
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
Temperatura de cambio de fase entre 12 y 25ordmC
Alta estabilidad a los ciclos de cambio de fases debido a la larga vida uacutetil
de los edificios
No corrosivos para reducir el riesgo de fuga de su contenedor y evitar
dantildeos en la estructura del edificio
Considerar la inflamabilidad al fuego y dar soluciones constructivas de
acuerdo a la normativa
Econoacutemicamente viable en funcioacuten de los costos de implementacioacuten y
ahorro energeacuteticos
Una limitacioacuten de los PCM para su aplicacioacuten en la construccioacuten es la
estacionalidad pues el PCM debe ser seleccionado para aplicaciones en
calefaccioacuten pasiva Esta limitacioacuten reduce los beneficios teacutermicos el ahorro
energeacutetico y su viabilidad econoacutemica Investigadores estudiaron un concepto de
doble capa de PCM para que funcionara durante todo el antildeo (A Pasupathy L
Athanasius R Velraj amp RV Seeniraj 2008)
26 Encapsulacioacuten
Uno de los criterios que ha limitado el uso generalizado de los PCM es la
incompatibilidad entre estos materiales y sus contenedores afectando su
estabilidad a largo plazo degradado sus propiedades y provocando la corrosioacuten
de sus recipientes de embalaje Como respuesta a estos inconvenientes han
surgido diferentes teacutecnicas de encapsulacioacuten de los PCM las cuales ofrecen
unas ventajas significativas tales como
Aumento del aacuterea de transferencia de calor
Reduccioacuten de la reactividad hacia el ambiente exterior
Control de los cambios en el volumen eacutestos ocurren dentro de la capsula
No hay absorcioacuten de humedad
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
Los meacutetodos de encapsulacioacuten clasificados de acuerdo a su tamantildeo
pueden ser de dos tipos micro y macro encapsulados (Lane 1986)
261 Microcaacutepsulas
Una investigacioacuten menciona que la micro encapsulacioacuten podriacutea definirse
como el proceso de rodear o envolver una sustancia en otra sustancia a escala
muy reducida produciendo caacutepsulas que van desde 1 μm a 1000 μm de diaacutemetro
Los tres estados de la materia (soacutelidos liacutequidos y gases) pueden ser micro
encapsulado
El material de la membrana exterior debe ser compatible con el PCM y a
su vez ser capaz de hacer frente a la tensioacuten mecaacutenica sobre las paredes del
recipiente provocada por las variaciones de volumen durante el cambio de fase
(S E Kalnaeligs amp B P Jelle 2015)
Por lo general los PCM micro-encapsulados se encuentran
comercialmente disponibles en dos formatos dispersioacuten fluida donde las
caacutepsulas son dispersadas en agua o en polvo en mezclas en seco
La figura 25 muestra en teacuterminos practico la conformacioacuten de la
envolvente de poliacutemero en una cera PCM dimensionando el tamantildeo en ellas
Figura 25 Microcaacutepsulas
Fuente (S E Kalnaes and B P Jelle 2015)
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
262 Macrocaacutepsulas
La macro-encapsulacioacuten hace referencia a PCM encapsulados en
cualquier tipo de recipiente tal como tubos esferas o paneles que pueden ser
incorporados en materiales de construccioacuten o que actuacutean como intercambiadores
de calor por siacute mismos El tamantildeo de estos contenedores es por lo general maacutes
de 1 cm3 almacenando desde varios mililitros hasta varios litros La tecnologiacutea
de macro encapsulacioacuten emplea un proceso de encapsulacioacuten de doble capa
creando una caacutepsula con una configuracioacuten en forma de matriz La principal
ventaja de los envases plaacutesticos es la disponibilidad en el mercado y la facilidad
de producirlos en una gran variedad de formas y con pocas restricciones
geomeacutetricas Ademaacutes son compatibles con la mayoriacutea de PCM incluyendo las
sales hidratadas por lo general no presentan degradacioacuten aunque algunos
materiales orgaacutenicos pueden llegar a suavizarlos (S E Kalnaes and B P Jelle
2015)
El PCM se encuentra confinado por la encapsulacioacuten evitaraacute cambios
volumeacutetricos importantes lo que evita varios riesgos y garantiza la integridad del
componente en el que se insertan las caacutepsulas La barrera polimeacuterica puede ser
de otros materiales por ejemplo como aluminio ya que mejora la compatibilidad
con otros materiales de construccioacuten y evita la corrosioacuten Este tipo de aplicacioacuten
es de faacutecil manejo una clara ventaja de este proceso en relacioacuten a los meacutetodos
de impregnacioacuten e inmersioacuten del iacutetem anterior
Figura 26 Caacutepsulas de macro PCM (Contenedor plano Esfera Placas de
barra doble y placas de aluminio)
Fuente (S E Kalnaeligs amp B P Jelle 2015)
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
CAPITULO III MEacuteTODOS Y METODOLOGIacuteA
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
En este estudio la evaluacioacuten se centra en el anaacutelisis de optimizacioacuten de
la aplicacioacuten PCM a los muros exteriores y dimensionamiento del rendimiento
teacutermico de una vivienda en estudio
Los modelos generados en el software Energy Plus se ingresoacute valores de
los sistemas constructivos de la vivienda en estudio condiciones climaacuteticas
caracterizacioacuten PCM en muros exteriores y caracterizacioacuten macro encapsulacioacuten
de acuerdo con las directrices (DOE 2016) se explica en las siguientes secciones
del capiacutetulo
31 Herramienta de simulacioacuten de energiacutea
Para evaluar los PCM de comportamiento teacutermico variable de la vivienda
en estudio con y sin PCM se utilizoacute el software EnergyPlus v 87
En teacuterminos generales el software puede evaluar una variedad de caacutelculos
destacados como los caacutelculos de puentes teacutermicos HVAC integrado y
simulaciones de carga de construccioacuten confort teacutermico y materiales con
conductividad teacutermica variable como el PCM (DB Crawley LK Lawrie FC
Winkelmann WF Buhl YJ Huang amp CO Pedersen 2001) Ademaacutes hay
muchas opciones para la conveccioacuten de la superficie interior y exterior
algoritmos infiltracioacuten avanzada e ventilacioacuten energiacutea desarrollada costos del
ciclo de vida algoritmos avanzados de confort teacutermico como como la calidad del
aire interior y el confort teacutermico para los ocupantes (DB Crawley JW Hand M
Kummert amp BT Griffith 2008)
Para analizar el comportamiento teacutermico variable de los PCM en estudio
se utilizoacute el algoritmo de diferencia finita de conduccioacuten (CondFD) Este algoritmo
modela la transferencia de calor en presencia de PCM y junto con la ecuacioacuten (2)
discretiza la envolvente del edificio en varios nodos para resolver numeacutericamente
la transferencia de calor en el software se puede escoger ecuaciones por un
esquema totalmente impliacutecito y el Crank-Nicolson que es semi-impliacutecito (KO
Lee 2016)
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
En esta investigacioacuten se utiliza un esquema Crank-Nicolson para simular
PCM para un material homogeacuteneo con espaciado uniforme de nodos como se
muestra en la ecuacioacuten (2) (3) y (4) extraiacutedo del manual del software
EnergyPlus (DOE 2016)
119862119901120588∆119909119879119894
119895+1minus 119879119894
119895
∆119905= (119896119908
119879119894+1119895+1
minus 119879119894119895+1
∆119909+ 119896119864
119879119894minus1119895+1
minus 119879119894119895+1
∆119909+ 119896119908
119879119894+1119895
minus 119879119894119895
∆119909+ 119896119864
119879119894minus1119895
minus 119879119894119895
∆119909)
Ec 2
∆119909 = radic119888120572∆119905 Ec 3
Donde Cp y ρ son el calor especiacutefico y la densidad del material Δ119909 es el
espesor de capa de diferencia finita Δ119905 es el paso de tiempo 119879 es la temperatura
de un nodo 119894 119894 + 1 y 119894 minus 1 son los nodos adyacentes al interior y exterior
respectivamente de una capa de material 119895 y 119895 + 1 son los pasos de tiempo
anterior y nuevo 119896119908 y 119896119864 representan las conductividades teacutermicas 119896119908 =
119896119894+1119895+1
+119896119894119895+1
2 y 119896119864 =
119896119894minus1119895+1
+119896119894119895+1
2 120572 es la difusividad teacutermica del material y 119888 es la
constante de discretizacioacuten del espacio que puede definir el usuario (3 es el valor
predeterminado para esta constante seguacuten manual)
Esta investigacioacuten considera el uso de paneles PCM por lo tanto el
algoritmo CondFD ecuacioacuten (2) debe combinarse con una funcioacuten de temperatura
de entalpiacutea ℎ = ℎ (119879) estos datos en la funcioacuten se obtendraacuten de acuerdo al estudio
bibliograacutefico El algoritmo usa esta funcioacuten para actualizar el calor especiacutefico
equivalente (119862119901) en cada paso de tiempo como se muestra en la ecuacioacuten (4)
lowast 119862119901(119879) =ℎ119894
119895minus ℎ119894
119895minus1
119879119894119895
minus 119879119894119895minus1
Ec 4
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
43
Diego Sarabia Meacutendez
32 Descripcioacuten Vivienda en estudio
En este apartado se define los sistemas constructivos de la vivienda en
estudio con y sin PCM para obtener la liacutenea base de comparacioacuten
En la figura 31 se muestra el disentildeo de vivienda en estudio de 56 m2 y
los espacios interiores con su distribucioacuten de aacutereas veacutease en la tabla 31 esta
vivienda se configuro de acuerdo a las soluciones constructivas acreditadas
(MINVU Soluciones constructivas acreditadas al fuego teacutermico y acuacutestico
2020)
Las caracteriacutesticas de la envolvente de la vivienda en estudio cuentan con
la configuracioacuten miacutenima de la reglamentacioacuten teacutermica que actualmente rige en
Chile estaacute establecida en la Ordenanza General de Urbanismo y Construcciones
en su artiacuteculo 4110 y en una zonificacioacuten del paiacutes en zonas teacutermicas seguacuten
grados-diacutea especificados en el manual de aislamiento teacutermico (MINVU Manual
de aplicacioacuten y reglamentacoacuten teacutermica 2017) Los complejos de techumbres
muros perimetrales y pisos inferiores ventilados entendidos como elementos que
constituyen la envolvente de la vivienda deberaacuten tener una transmitancia teacutermica
ldquoUrdquo igual o menor o una resistencia teacutermica total ldquoRtrdquo igual o superior a la
sentildealada para la zona que le corresponda al proyecto de arquitectura de acuerdo
con los planos de zonificacioacuten teacutermica corresponde a zona 4 y se verifica lo
anteriormente expuesto en la tabla 32 cabe sentildealar que los valores de
transmitancia teacutermica se extrajeron de acuerdo a las ecuaciones de balance
teacutermico que estaacute incorporado en el software
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
44
Diego Sarabia Meacutendez
Figura 31 Descripcioacuten Vivienda en estudio
Elaboracioacuten Propia - Software Revit
A continuacioacuten se muestra las dimensiones que tiene cada espacio de las
dos torres del edificio en las siguientes tablas
Tabla 31 Resumen superficies de los distintos espacios vivienda en estudio
Torre A
Lugar Superficie (119950120784) Altura (m)
Dormitorio Primario 8 24
Dormitorio Secundario 7 24
Cocina 9 24
Living - Comedor 28 24
Bantildeo 3 24
TOTAL 56
Fuente Elaboracioacuten Propia
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
Tabla 32 Cumplimiento de la envolvente elementos constructivos de la vivienda en estudio
Elemento Materiales (exterior al
interior)
Espesor (m)
Transmitencia teacutermica Valor U (Wm2K)
Transmitencia teacutermica exigida Valor U (Wm2K)
Muro Exterior
Siding
Fibrocemento
0006
0672
17
Plancha OSB 0009
Entramado
madera pino 2x3
0075
Lana de vidrio 005
Caacutemara no
ventilada
(Ubicacioacuten del
PCM)
0026
Placa yeso cartoacuten 0015
Muro Interior
Placa yeso cartoacuten 0015
0677
17
Entramado
madera pino 2x2
0075
Lana de vidrio 005
Placa yeso cartoacuten 0015
Techumbre
Plancha Zincalum 0035
0316
038
Fieltro 0005
Plancha OSB 0009
Entramado madera pino 2x2
0075
Lana de Vidrio 005
Placa yeso cartoacuten 00125
Piso en contacto
con el terreno
Radier Hormigoacuten 02 17 No aplica
Fuente Elaboracioacuten Propia
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
46
Diego Sarabia Meacutendez
Para integrar el PCM con la vivienda en estudio se configuro las
propiedades teacutecnicas y la ubicacioacuten optima interna del PCM al panel externo
constructivo donde se administroacute en el modelo de simulacioacuten veacutease en la Figura
313 y figura 38
321 Meacutetodo de zona en software EnergyPlus
El modelo de construccioacuten creado se utilizoacute el meacutetodo de zona donde
todas las zonas fueron modeladas con informacioacuten completa en construccioacuten
ocupacioacuten equipamiento y HVAC
Al iniciar el modelo se elige la ubicacioacuten y el tipo de anaacutelisis Despueacutes se
debe ingresar un nombre al sitio y a cada zona Ademaacutes se puede asignar varios
edificios bajo el mismo sitio cada uno con su propio nombre Una vez definido lo
anterior se genera bloque que generalmente representa un piso o nivel planta
para este estudio se genera bloque de acuerdo a la figura 32
Figura 32 Modelo de zona en casa de estudio
Fuente Elaboracioacuten Propia
La fase de zonificacioacuten separa las diferentes zonas teacutermicas Para el
modelo cada suite se considera una zona El meacutetodo de zona permite asignar
diferentes horarios operativos a cada zona Cada una de las paredes de cada
bloque se llama superficie y ventanas o puertas como sub-superficies o
aberturas La vivienda se muestra parcialmente en la Figura 33
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
47
Diego Sarabia Meacutendez
Figura 33 Zona y sub-superficie de vivienda en estudio
Fuente Elaboracioacuten Propia
El software da la posibilidad de elegir los materiales utilizados en la
construccioacuten de la vivienda a traveacutes de sus bibliotecas de materiales o pueden
ser creados por el usuario y los materiales elegidos son asignado a las partes
especificadas de la vivienda Estos pasos se repitieron en todos los pisos para
completar todo el modelo de construccioacuten
33 Datos meteoroloacutegicos
El modelo de simulacioacuten se mantuvo en base a los datos meteoroloacutegicos
con formato EPW en Energy plus se definioacute la ubicacioacuten Concepcioacuten Chile Con
el objetivo de evaluar el rendimiento teacutermico y analizar la optimizacioacuten de la
posicioacuten del PCM al muro exterior de la vivienda en estudio Las configuraciones
de los datos meteoroloacutegicos se muestran en la Figura 34
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
48
Diego Sarabia Meacutendez
Figura 34 Configuracioacuten datos meteoroloacutegico
Fuente Elaboracioacuten Propia
34 Jornadas de ocupacioacuten
Para realizar la simulacioacuten energeacutetica se deben definir una serie de
planillas de ocupacioacuten de los recintos uso de luminaria y equipos En estas
planillas de ocupacioacuten se define el ciclo horario para todos los diacuteas del antildeo
Esto se realiza con la finalidad de establecer los periodos en los que
influyen los distintos tipos de cargas internas en la vivienda
A continuacioacuten se adjunta a modo de ejemplo la figura 35 en la cual se
puede ver el menuacute de configuracioacuten de las plantillas de ocupacioacuten
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
49
Diego Sarabia Meacutendez
Figura 35 Planilla de uso horario de un recinto
Fuente Elaboracioacuten propia
35 Configuracioacuten envolvente por elemento y sistemas de climatizacioacuten
Definidos las zonas y multi zonas del modelo se deberaacute configurar los
sistemas constructivos en sus propiedades teacutermicas y dimensiones El software
automaacuteticamente genera el caacutelculo de transmitancia teacutermica anaacutelisis de
condensacioacuten y dimensioacuten en imagen por elemento Veacutease en la figura 36
Para configurar el sistema de climatizacioacuten primero se debe definir los
rangos de temperatura confort teacutermico en la pestantildea de actividades del software
Veacutease figura 37 A continuacioacuten se define el tipo de sistema de climatizacioacuten
definiendo las horas de operacioacuten tipo combustible y rendimiento del sistema
como se muestra en la figura 38
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
50
Diego Sarabia Meacutendez
Figura 36 Planilla configuracioacuten envolvente por elemento
Fuente Elaboracioacuten propia
Figura 37 Planilla configuracioacuten rango de temperatura confort teacutermico
Fuente Elaboracioacuten propia
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
Figura 38 Planilla configuracioacuten del tipo de sistema de climatizacioacuten
Fuente Elaboracioacuten propia
36 Caracterizacioacuten PCM
En este estudio se utilizoacute placas PCM tipo orgaacutenico de parafina tiene una
relacioacuten de mezcla de n-octadecano a n-heptadecano seleccionado debido a la
eficiencia energeacutetica con temperatura cercana al confort teacutermico (12ndash26 deg C)
basado en ISO 13790 (KO Lee 2016)
Seguacuten el estado de arte existente se definioacute los tres materiales de cambio
de fase los cuales son candidatos idoacuteneos para utilizar en esta investigacioacuten
Estos materiales han sido estudiados por diversos autores con el fin de obtener
sus propiedades termofiacutesicas y usarlas en la edificacioacuten La razoacuten de utilizar estos
materiales es debido a sus propiedades teacutermicas y el que su temperatura de
fusioacuten es cercana a la temperatura de confort
Ademaacutes la vida uacutetil del PCM es de 13 antildeos seguacuten su ciclo de cambio
fase considerando 365 cambios fase anual el cual se justifica con los costos de
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
52
Diego Sarabia Meacutendez
inversioacuten al implementar esta tecnologiacutea dependiendo de la magnitud del flujo
de calor el cuaacutel se quiere operar
Las especificaciones teacutecnicas de las placas PCM y el comportamiento de
temperaturas y entalpias de operacioacuten se describen en la tabla 33 las cuales se
vinculan con el algoritmo CondFD de la ecuacioacuten (2) para evaluar su rendimiento
energeacutetico en la vivienda en estudio
361 Seleccioacuten de Materiales Cambio Fase
Tabla 33 Especificaciones teacutecnicas de PCM a utilizar
Caracteriacutesticas RT18HC
Valores Unidades Grafica entalpia y Temperatura
Temperatura de Fusioacuten
18
degC
Almacenamiento de calor
260 [kJkg]
Capacidad calor especifico
2 [kJkgK]
Densidad solido (a los 15degC)
088 [kgl]
Densidad solido (a los 25degC)
077 [kgl]
Conductividad teacutermica
(Ambas fases)
02 [W(mK)]
Expansioacuten de Volumen
125
Maacutexima temperatura operacioacuten
50 degC
Ciclo Cambio fase
5000 -
Caracteriacutesticas RT21HC
Valores Unidades Grafica entalpia y Temperatura
Temperatura de Fusioacuten
21
degC
Almacenamiento de calor
155 [kJkg]
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
Capacidad calor especifico
2 [kJkgK]
Densidad solido (a los 15degC)
088 [kgl]
Densidad solido (a los 25degC)
077 [kgl]
Conductividad teacutermica
(Ambas fases)
02 [W(mK)]
Expansioacuten de Volumen
12
Maacutexima temperatura operacioacuten
45 degC
Ciclo Cambio fase
5000 -
Caracteriacutesticas RT22HC
Valores Unidades Grafica entalpia y Temperatura
Temperatura de Fusioacuten
22
degC
Almacenamiento de calor
190 [kJkg]
Capacidad calor especifico
2 [kJkgK]
Densidad solido (a los 15degC)
076 [kgl]
Densidad solido (a los 25degC)
070 [kgl]
Conductividad teacutermica
(Ambas fases)
02 [W(mK)]
Expansioacuten de Volumen
125
Maacutexima temperatura operacioacuten
50 degC
Ciclo Cambio fase
5000 -
Fuente (Rubitherm 2020)
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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362 Configuracioacuten del PCM en EnergyPlus
De acuerdo al estudio bibliograacutefico de los materiales cambio fase para
ingresar los datos al software se debe definir las cantidades de temperatura de
operacioacuten identificar el punto de fusioacuten en las graacuteficas de entalpia y temperatura
de la tabla 33 conductividad teacutermica calor especifico densidades y espesor en
el elemento constructivo con el fin de determinar el flujo de calor de operacioacuten
de acuerdo al balance termodinaacutemico de la ecuacioacuten (2) A continuacioacuten se
adjunta a modo de ejemplo la figura 39 en la cual se puede ver el menuacute de
configuracioacuten
Figura 39 Configuracioacuten del PCM en el software
Fuente Elaboracioacuten Propia
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
363 Cotizacioacuten PCM RT21
La inversioacuten total del material cambio fase es de $1106679
correspondiente a 160 kg con transporte incluido Se observa que el costo de
transporte afecta considerablemente en su valor (Alemania)
Se realizoacute cotizacioacuten del material RT21 en la empresa alemana Rubitherm
se presenta en la figura 310
Figura 310 Cotizacioacuten del material RT21
Fuente (Rubitherm 2020)
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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37 Caracterizacioacuten Macro encapsulacioacuten
En esta seccioacuten la placa de macro encapsulacioacuten utilizada para el PCM
es de materialidad de aluminio veacutease figura 311 esto aumenta la transferencia
de calor en los PCM Son dos placas que estaacuten unidas entre siacute Se unen en dos
puntos centrados y se pegan en sus marcos Pueden ser utilizados para PCM
(orgaacutenico - inorgaacutenico) Por lo tanto se puede ofrecer un rango de temperatura
para una variedad de aplicaciones El grosor depende del volumen de llenado y
por lo tanto de la capacidad de almacenamiento Para el estudio se seleccionoacute
el modelo CSM105 Rubitherm el cual su espesor es de 15 mm y puede
almacenar 2 Kg de PCM por placa
Figura 311 Modulo Almacenamiento Macro encapsulacioacuten de aluminio
Fuente (Rubitherm 2020)
371 Cotizacioacuten Macro encapsulacioacuten
La inversioacuten total de la Macro encapsulacioacuten de aluminio modelo CSM105
Rubitherm es de $ 4326306 correspondiente a 150 unidades con transporte
incluido Se observa que el costo de transporte afecta considerablemente en su
valor (Alemania) Se realizoacute cotizacioacuten de los elementos de Macro encapsulacioacuten
de aluminio modelo CSM105 Rubitherm se presenta en la figura 312
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
57
Diego Sarabia Meacutendez
Figura 312 Cotizacioacuten Macro encapsulacioacuten
Fuente (Rubitherm 2020)
38 Validacioacuten muro constructivo con PCM
De acuerdo a los estudios del estado de arte y conocimientos teacutecnicos se
validoacute el sistema constructivo propuesto del muro exterior en el cumplimiento de
resistencia al fuego de acuerdo al cataacutelogo de soluciones constructivas del
MINVU y de la Ordenanza General de Urbanismo y Construcciones (OGUC)
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
381 Cumplimiento de la OGUC y Resistencia al fuego
Dentro de las exigencias a cumplir por la OGUC se tiene la resistencia
al fuego en elementos constructivos seguacuten el tipo de recinto Para el caso del
muro de la vivienda en estudio se hace el siguiente anaacutelisis
De la tabla Ndeg34 seguacuten ldquodestino del edificiordquo ldquosuperficie edificada (m2)rdquo y
ldquonuacutemero de pisosrdquo se obtiene una clasificacioacuten (a b c y d) seguacuten corresponda
En el caso de estudio se tiene una vivienda de 1 piso por lo que el destino
es ldquoHabitacionalrdquo y por nuacutemero de pisos se establece una clasificacioacuten ldquodrdquo
Tabla 34 Clasificacioacuten de los edificios seguacuten su destino superficie edificada y
nuacutemero de pisos Destino del Edificio Superficie Edificada (m2) Nuacutemeros de Pisos
1 2 3 4 5 6 7 o mas
Habitacional Cualquiera d d c c b a a
Hoteles Sobre 5000 c b a a a a a
Sobre 1500 y hasta 5000 c b b b a a a
Sobre 500 y hasta 1500 c c b b a a a
Hasta 500 d c b b a a a
Oficinas Sobre 1500 c c b b b a a
Sobre 500 y hasta 1500 c c c b b b a
Hasta 500 d c c b b b a
Museos Sobre 1500 c c b b b a a
Sobre 500 y hasta 1500 c c c b b b a
Hasta 500 d c c b b b a
Clinica Hospitales y Lab Sobre 1000 c b b a a a a
Hasta 1000 c c b b a a a
Policlinicos Sobre 400 c c b b b b a
Hasta 400 d c c b b b a
Restaurante Sobre 500 b a a a a a a
Sobre 250 y hasta 500 c b b a a a a
Hasta 250 d c c b b a a
Locales Comerciales Sobre 500 c b b a a a a
Sobre 200 y hasta 500 c c b b a a
Hasta 200 d c b b b a a
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Bibliotecas Sobre 1500 b b a a a a a
Sobre 500 y hasta 1500 b b b a a a a
Sobre 250 y hasta 500 c b b b a a a
Hasta 250 d c b b a a a
Automotoras Cualquiera d c c b b b a
Edificio Estacionamiento Cualquiera d c c c b b a
Fuente (MINVU Soluciones constructivas acreditadas al fuego teacutermico y
acuacutestico 2020)
Para lograr obtener la resistencia al fuego necesaria se debe utilizar
ademaacutes la tabla 34 la cual utilizo como criterios la clasificacioacuten obtenida de la
tabla 35 y el tipo de elemento constructivo
Tabla 35 Resistencia al fuego para diferentes elementos de construccioacuten Elementos de Construccioacuten
Tipo (1) (2) (3) (4) (5) (6) (7) (8) (9)
A F-180 F-120 F-120 F-120 F-120 F-30 F-60 F-120 F-60
B F-150 F-120 F-90 F-90 F-90 F-15 F-30 F-90 F-60
C F-120 F-90 F-60 F-60 F-60 - F-15 F-60 F-30
D F-120 F-60 F-60 F-60 F-30 - - F-30 F-15
Fuente (MINVU Soluciones constructivas acreditadas al fuego teacutermico y
acuacutestico 2020) Simbologiacutea
Elementos verticales
(1) Muros cortafuego
(2) Muros zona vertical de seguridad y caja de escalera
(3) Muros caja de ascensores
(4) Muros divisorios entre unidades (hasta la cubierta)
(5) Elementos soportantes verticales
(6) Muros no soportantes y tabiques
Elementos verticales y horizontales
(7) Escaleras
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
60
Diego Sarabia Meacutendez
Elementos Horizontales
(8) Elementos soportantes horizontales
(9) Techumbre incluido cielo falso
Para el caso de los muros que dan al exterior de la vivienda en estudio se
considera en la categoriacutea (5) y seguacuten la clasificacioacuten obtenida de la tabla 35 (d)
se tiene un grado de resistencia al fuego F-30
Para cumplir con esta exigencia se utiliza una solucioacuten del cataacutelogo de
soluciones constructivas del MINVU la cual se presenta a continuacioacuten
Tabla 36 Tabique perimetral estructura madera en vivienda en estudio
A233014 Tabique Estructura Madera Volcanita 15 mm RF Placa
OSB 9 mm Siding Volcan 6 mm Aislanglas R122 50 mm
Elemento estaacute formado por una estructura de madera hecha con listones de pino
radiata de 2rdquo x 3rdquo en bruto Consta de 5 pie-derechos distanciados entre ejes
cada 06 m dos cadenetas distanciadas entre ejes cada 08 m una solera inferior
y otra superior Esta estructuracioacuten esta forrada por una de sus caras con una
plancha de yeso-cartoacuten ldquoVolcanita RFrdquo de 15 mm de espesor La otra cara esta
forrada con una placa de madera OSB de 9 mm de espesor y como terminacioacuten
en esta cara lleva unas fajas horizontales de fibrocemento ldquoSiding Volcanrdquo tipo
tinglado de 190 mm de ancho y 6 mm de espesor Todo el conjunto esta
atornillado a la estructura de madera Esta conformacioacuten deja espacios libres en
el interior del panel estaacuten rellenos con una manta de lana de vidrio tipo rollo libre
R122 de 50 mm de espesor de densidad media aparente de 14 kgm3 Las
dimensiones para el ensayo fue 22 de ancho x 24 de alto y 105 mm de espesor
INSTITUCION Ndeg Informe Lab Fecha Resistencia Inscripcioacuten
Volcaacuten SA 374721 IDIEM 26-06-96 F-30 2015
Fuente (MINVU Soluciones constructivas acreditadas al fuego teacutermico y
acuacutestico 2020)
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
61
Diego Sarabia Meacutendez
Otra de las exigencias por parte de la OGUC es el cumplimiento de la
reglamentacioacuten teacutermica mostrado en la tabla 32 para esto se compara las
transmitancias teacutermicas exigidas con las envolventes de los elementos
constructivos de la vivienda en estudio Para el caso del muro donde se
incorporaraacute el PCM se seleccionoacute de acuerdo al listado de soluciones
constructivas del MINVU para validar la resistencia al fuego En la figura 313 se
visualiza las componentes de la envolvente del muro con PCM
Figura 313 Sistema Constructivo Muro exterior con PCM en vivienda estudio
Fuente Elaboracioacuten Propia
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
CAPITULO IV RESULTADOS Y DISCUSIOacuteN
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
63
Diego Sarabia Meacutendez
En este segmento se evaluoacute el comportamiento energeacutetico de los
materiales cambio fase mediante el software Energy Plus Los materiales cambio
fase se produce dentro de placas de macro encapsulacioacuten de aluminio al interior
de los muros exteriores
Por lo tanto se observoacute el aporte energeacutetico de los materiales cambio fase
en un sistema activo de calefaccioacuten optimizando los sistemas constructivos en
la vivienda en estudio y dar respuesta a su aplicacioacuten en acondicionamiento
ambiental
41 Comportamiento Energeacuteticos de los materiales cambio fase
A continuacioacuten se comparoacute el comportamiento energeacutetico de dos sistemas
de climatizacioacuten con el aporte energeacutetico pasivo de los distintos materiales
cambio fase en una vivienda en estudio
411 Rendimiento energeacutetico de calefaccioacuten con y sin PCM
Para evaluar el comportamiento energeacutetico se definioacute la temperatura de
fusioacuten de los PCM en el rango de 18 a 22degC el aporte energeacutetico de los PCM
ayudo a mantener constante la temperatura confort de 21degC en la vivienda y
reducir los consumos energeacuteticos del sistema activo para este estudio se
escogioacute dos sistemas de climatizacioacuten caso 1 calefaccioacuten a lentildea con un η=07 y
caso 2 Climatizacioacuten por bomba de calor η=27 esta seleccioacuten se debe a que el
sistema de calefaccioacuten a lentildea es el maacutes usado en la zona genera una alta
contaminacioacuten ambiental por su combustioacuten en material particulado es el
combustible maacutes econoacutemico por unidad de energiacutea y su inversioacuten es accesible
en cambio los equipos de bomba calor tienen un mayor rendimiento energeacutetico
tiene menos impacto al medio ambiente y su inversioacuten es costosa
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
64
Diego Sarabia Meacutendez
La figura 41 (a) muestra las potencias maacuteximas de disentildeo en
climatizacioacuten comparando la liacutenea base con la implementacioacuten de materiales
PCM en vivienda en estudio ubicado en Concepcioacuten Chile A traveacutes de este
anaacutelisis se identificoacute una disminucioacuten en su potencia de disentildeo de 319 (de
263 kW a un 179 kW) con respecto al caso base
Figura 41 (a) Potencia maacutexima disentildeo con y sin PCM en vivienda estudio
Fuente Elaboracioacuten Propia
En la figura 41 (b) y (c) se realizoacute la comparacioacuten de distintos tipos de
materiales PCM con un rango de temperatura de fusioacuten entre 18 degC a 22degC para
determinar cuaacutel es maacutes eficiente en funcioacuten de las variables de disentildeo
emplazamientos y propiedades teacutermicas
Para el primer caso se evaluoacute el sistema de calefaccioacuten a lentildea y el rol
clave de estos materiales PCM es reducir el consumo energeacutetico y el kgCO2
generado por la combustioacuten En los resultados se visualizoacute que el material cambio
fase optimo corresponde al PCM 22HC arrojando una reduccioacuten del consumo
energeacutetico de 341 (de 3694 kWh a un 2434 kWh) en comparacioacuten al caso base
CocinaDormitorioSecundario
DormitorioPrimario
Living-Comedor
Bantildeo
Sin PCM 03 037 047 129 02
Con PCM 017 027 033 087 015
0
02
04
06
08
1
12
14
Dem
ada
En
erge
tica
(k
W)
Potencia Maxima de Disentildeo
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
65
Diego Sarabia Meacutendez
Para el segundo caso se evaluoacute un sistema de bomba de calor multisplit
al igual que en el caso anterior el material optimo corresponde al PCM 22HC se
observoacute una disminucioacuten de consumo energeacutetico de un 344 (de 688 kWh a un
451 kWh) en comparacioacuten al caso base
Para ambos casos se observoacute una notable reduccioacuten de los consumos
energeacuteticos en estacioacuten friacutea
Figura 41 (b) Caso 1 - Consumo energeacutetico en calefaccioacuten Lentildea con y sin
PCM en vivienda estudio
Fuente Elaboracioacuten Propia
Ene Feb Mar Abr May Jun Jul Ago Sept Oct Nov Dic
Sin PCM 75 79 138 267 477 604 626 498 408 271 147 104
PCM 18 37 34 73 188 424 579 602 440 347 185 85 60
PCM 21 31 27 64 167 397 547 570 405 313 161 71 53
PCM 22 13 11 39 138 354 506 528 357 275 130 49 34
0
200
400
600
800
1000
Co
nsu
mo
Co
mb
ust
ible
(k
Wh
)
Consumo Combustible Lentildea Mensual
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
66
Diego Sarabia Meacutendez
Figura 41 (c) Caso 2 - Consumo energeacutetico Bomba de calor con y sin PCM en
vivienda estudio
Fuente Elaboracioacuten Propia
Se identificoacute que la temperatura de fusioacuten maacutes baja de los PCM no es
viable en la optimizacioacuten del sistema pasivo en climatizacioacuten podriacutea ser explicado
por las variables temperatura exteriores dependiendo de las condiciones
climaacuteticas por su emplazamiento Por ejemplo de acuerdo con las cargas
maacuteximas de calefaccioacuten se debe a que la energiacutea en invierno aumento
estableciendo las temperaturas de confort teacutermico esta es una variable de
seleccioacuten del PCM que serviraacute para optimizar el disentildeo en funcioacuten del confort
teacutermico disminuyendo demanda energeacutetica perdidas caloriacuteficas y consumos
energeacuteticos de sistemas de calefaccioacuten activos
Seguacuten el estado de arte otro punto importante a comentar es tener en
cuenta que las curvas de entalpia y temperatura tanto para refrigeracioacuten y
calefaccioacuten deben ser lo maacutes cercana posible de lo contrario se produciriacutea una
Ene Feb Mar Abr May Jun Jul Ago Sept Oct Nov Dic
Sin PCM 14 15 26 50 89 112 116 92 78 50 27 19
PCM 18 7 6 14 35 79 107 112 82 64 34 16 11
PCM 21 57 5 12 31 74 101 106 75 58 30 13 10
PCM 22 23 2 72 256 66 936 976 662 511 24 9 63
0
20
40
60
80
100
120
Co
nsu
mo
Co
mb
ust
ible
(k
Wh
)Consumo Combustible Bomba de calor Mensual
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
67
Diego Sarabia Meacutendez
histeacuteresis o sub enfriamiento y afectariacutea considerablemente el rendimiento del
PCM en su aplicacioacuten
Para la implementacioacuten de sistemas activos sustentables en climatizacioacuten
se demuestra en el estudio que el aporte energeacutetico de los PCM es mantener la
temperatura constante dentro de los espacios interiores y ayudan tambieacuten a bajar
considerablemente los consumos energeacuteticos y es un aporte al medio ambiente
Para sistemas pasivos la eficiencia en los PCM en los muros exteriores
podriacutea incrementarse sugiriendo que haya acristalamiento a base de muros
cortina durante el diacutea lleva al PCM al proceso de cambio de fase de manera
estable en el tiempo debido a su almacenamiento teacutermico (F Ascione RF De
Masi F de Rossi S Ruggiero amp GP Vanoli 2016)
Ademaacutes la disminucioacuten de un 319 en potencia maacutexima de disentildeo para
equipos de climatizacioacuten arrojado en este estudio y un promedio de 33 en
reduccioacuten en consumo energeacutetico en los dos casos de climatizacioacuten propuestos
se puede inferir que los materiales cambio fase es capaz de contribuir a eficiencia
energeacutetica
412 Inversioacuten inicial y costos operativos en sistemas de calefaccioacuten con y sin PCM
Se hizo un anaacutelisis de los principales costos asociados a la adquisicioacuten de
los equipos y operacioacuten de eacutestos No se consideraraacute valor residual o de
salvamiento Para poder comparar la vida uacutetil a usar seraacute de 10 antildeos
Al obtener los valores de consumos energeacuteticos en las simulaciones de
los casos propuestos se visualiza una aproximacioacuten en demostrar el beneficio
econoacutemico que aporta los PCM a los sistemas activos Vease en figura 42
En el caso 1 sistema de calefaccioacuten a lentildea se observoacute una disminucioacuten
en los costos de operacioacuten anual de un 341 (de $88656 a un $58416)
($ 24 por kWh) (BES 2017) y en el caso 2 sistema de climatizacioacuten por bomba
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
68
Diego Sarabia Meacutendez
calor se observoacute una disminucioacuten en los costos de operacioacuten anual de un 344
(de $72928 a un $47795) ($ 106 por kWh) (BES 2017)
Figura 42 Inversioacuten inicial y costos operativos sistema climatizacioacuten con y sin
PCM en vivienda estudio
Fuente Elaboracioacuten Propia
42 Propuesta de aplicacioacuten PCM a caso base como sistema de actualizacioacuten
Seguacuten los resultados del comportamiento energeacutetico de la vivienda en
estudio con y sin PCM Se identificoacute un enfoque diferente e innovador para
sistemas pasivos de acondicionamiento ambiental o el aporte energeacutetico
significativo de los PCM a los sistemas activos para mantener su temperatura
constante en su operacioacuten
Una correcta ubicacioacuten del PCM a los muros exteriores de una vivienda en
estudio mostro significativamente un ahorro de energiacutea con respecto al caso
base esto se debe a la colocacioacuten del PCM en la particioacuten interna en los muros
exteriores emplazamiento de la vivienda tipo de encapsulacioacuten y orientacioacuten de
los muros con respecto al sol
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
Sin PCM PCM 22HC Inversion
Mil
es d
e p
eso
sInversion inicial y costos operativos en sistema
climatizacion
Caso 1 Sistema Calefaccion Lentildea Caso 2 Sistemas Bomba de Calor
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
69
Diego Sarabia Meacutendez
El tipo de encapsulacioacuten de acuerdo al panel constructivo mostro que debe
ser macro encapsulacioacuten con materialidad de aluminio para aumentar la
conductividad teacutermica de los materiales cambio fase que era una de sus
desventajas teacutecnicas
A traveacutes de este anaacutelisis se identificoacute que material de cambio de fase se
debe seleccionar de acuerdo a la aplicacioacuten pasiva en vivienda en estudio
considerando variables de seleccioacuten como cineacuteticas fiacutesicas quiacutemicas teacutermicas
y econoacutemicas
Finalmente se observoacute que es posible maximizar la eficiencia de la
energiacutea en mantener la temperatura constante en los espacios interiores con el
aporte energeacutetico de los sistemas pasivos cuando se usa materiales cambio fase
en los muros exteriores de la vivienda en estudio Ademaacutes el PCM con
temperatura de fusioacuten cercana a la temperatura confort logra un mayor
rendimiento energeacutetico seguacuten su emplazamiento y reduce considerablemente los
costos de operacioacuten de un sistema climatizacioacuten activo aportaacutendole energiacutea
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
70
Diego Sarabia Meacutendez
CONCLUSIONES
El trabajo reciente propone un anaacutelisis de optimizacioacuten del PCM a una
vivienda en estudio como una aplicacioacuten de actualizacioacuten a sistemas pasivos y
se evaluoacute el comportamiento energeacutetico de dos sistemas activos de climatizacioacuten
mediante el uso del software EnergyPlus
En este estudio se describe la seleccioacuten de materiales de cambio fase a
utilizar la encapsulacioacuten adecuada en base a la aplicacioacuten y propiedades de
disentildeo
En el anaacutelisis del comportamiento energeacutetico de la vivienda en estudio se
observoacute que el PCM adecuado seguacuten la temperatura de fusioacuten estaacute en el rango
de 18 a 22 degC cercano a la temperatura de confort teacutermico Para este estudio se
escogioacute el PCM 22HC ya que su comportamiento es ideal para la vivienda en
estudio arrojando un 319 (de 263 kW a un 179 kW) de reduccioacuten de
potencias maacuteximas de disentildeo en climatizacioacuten De acuerdo al PCM escogido se
analizoacute el comportamiento del consumo energeacutetico en dos sistemas de
climatizacioacuten Caso 1 Sistema calefaccioacuten a lentildea mostro una reduccioacuten del
consumo energeacutetico de 341 (de 3694 kWh a un 2434 kWh) Para el segundo
caso se evaluoacute un sistema de bomba de calor multisplit al igual que en el caso
anterior el material optimo corresponde al PCM 22HC se observa una
disminucioacuten de consumo energeacutetico de un 344 (de 688 kWh a un 451 kWh) en
comparacioacuten al caso base lo que implica una notable reduccioacuten de los consumos
energeacuteticos en la estacioacuten friacutea Ademaacutes junto con los valores de consumo
energeacutetico se evaluoacute los costos de operacioacuten anual arrojando una disminucioacuten
promedio de 34 debido al aporte de los PCM
En general estos resultados sostienen firmemente que es posible mejorar
la eficiencia del ahorro energeacutetico cuando los PCM se instala en los muros
exteriores maximizando los ahorros energeacuteticos Por lo tanto para lograr la
optimizacioacuten de la envolvente de la vivienda con aplicacioacuten PCM la temperatura
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
71
Diego Sarabia Meacutendez
de fusioacuten fue de 22 deg C y el macro encapsulamiento es de material de aluminio
mejorando su transmitancia teacutermica del flujo de calor en los paneles
constructivos dando como resultado una adecuada actualizacioacuten a la aplicacioacuten
y a la instalacioacuten de los PCM a la vivienda en estudio ubicada en Concepcioacuten
Chile
Los costos de implementacioacuten en la tecnologiacutea pasiva como los PCM tiene
un elevado valor debido al costo del transporte (Alemania) se podriacutea justificar
encargando por mayor estos insumos y aplicarlo a un lote de viviendas
Es importante aplicar el PCM optimizado considerando el enfoque y
variables de disentildeo como la condicioacuten climaacutetica temperatura de fusioacuten de PCM
encapsulamiento y irradiacioacuten solar
La implementacioacuten de esta tecnologiacutea demuestra que aporta en la
reduccioacuten de material particulado en zonas criacuteticas en contaminacioacuten y las
emisiones de CO2 aportando al medio ambiente
Se deberaacute tener en cuenta que las curvas de entalpia y temperatura de los
PCM tanto para refrigeracioacuten y calefaccioacuten deben ser lo maacutes cercana posible de
lo contrario se produciriacutea una histeacuteresis o subenfriamiento y afectariacutea
considerablemente el rendimiento del PCM en su aplicacioacuten
Como investigacioacuten adicional queda por explorar la optimizacioacuten de PCM
aplicado a paredes exteriores con persianas de acristalamiento o invernaderos
adosados al poseer mayor captacioacuten de energiacutea solar tendraacute un mayor
almacenamiento energeacutetico y retraso teacutermico en los muros aplicado con PCM y
obtener una segmentacioacuten de los datos climaacuteticos por zonas para investigar el
comportamiento energeacutetico en aplicaciones pasivas
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
72
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371 Cotizacioacuten Macro encapsulacioacuten 56
38 Validacioacuten muro constructivo con PCM 57
381 Cumplimiento de la OGUC y Resistencia al fuego 58
CAPITULO IV RESULTADOS Y DISCUSIOacuteN 62
41 Comportamiento Energeacuteticos de los materiales cambio fase 63
411 Rendimiento energeacutetico de calefaccioacuten con y sin PCM 63
412 Inversioacuten inicial y costos operativos en sistemas de calefaccioacuten con y
sin PCM 67
42 Propuesta de aplicacioacuten PCM a caso base como sistema de
actualizacioacuten 68
CONCLUSIONES 70
REFERENCIAS 72
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Diego Sarabia Meacutendez
INDICE DE FIGURAS
Figura 21 Diagrama de proceso de cambio de fase Hielo ndash Vapor 23
Figura 22 Clasificacioacuten de los Materiales Cambio Fase 26
Figura 23 Estabilizacioacuten de la temperatura interior de un edificio por el efecto
de la inercia teacutermica 36
Figura 24 Espesor requerido de distintos materiales Vs Energiacutea termina 36
Figura 25 Microcaacutepsulas 38
Figura 26 Caacutepsulas de macro PCM (Contenedor plano Esfera Placas de
barra doble) 40
Figura 31 Descripcioacuten Vivienda en estudio 44
Figura 32 Modelo de zona en casa de estudio 46
Figura 33 Zona y sub-superficie de vivienda en estudio 47
Figura 34 Configuracioacuten datos meteoroloacutegico 48
Figura 35 Planilla de uso horario de un recinto 49
Figura 36 Planilla configuracioacuten envolvente por elemento 50
Figura 37 Planilla configuracioacuten rango de temperatura confort teacutermico 51
Figura 38 Planilla configuracioacuten del tipo de sistema de climatizacioacuten 51
Figura 39 Configuracioacuten del PCM en el software 54
Figura 310 Cotizacioacuten del material RT21 55
Figura 311 Modulo Almacenamiento Macro encapsulacioacuten 56
Figura 312 Cotizacioacuten Macro encapsulacioacuten 57
Figura 313 Sistema Constructivo Muro exterior con PCM en vivienda estudio
61
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Figura 41 (a) Potencia maacutexima disentildeo con y sin PCM en vivienda estudio 64
Figura 41 (b) Caso 1 - Consumo energeacutetico en calefaccioacuten Lentildea con y sin
PCM en vivienda estudio 65
Figura 41 (c) Caso 2 - Consumo energeacutetico Bomba de calor con y sin PCM
en vivienda estudio 66
Figura 42 Inversioacuten inicial y costos operativos sistema climatizacioacuten con y sin
PCM en vivienda estudio 68
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INDICE DE TABLAS
Tabla 21 Ventajas e inconvenientes de los PCM inorgaacutenicos 28
Tabla 22 Temperatura de fusioacuten de algunas sales hidratadas 29
Tabla 23 Ventajas e inconvenientes de los PCM orgaacutenicos 30
Tabla 24 Temperatura de fusioacuten de algunas parafinas 31
Tabla 25 Temperatura de fusioacuten de algunos aacutecidos grasos 32
Tabla 26 Clasificacioacuten de los PCMs 32
Tabla 27 Ventajas e inconvenientes de las microcapsulas 38
Tabla 28 Ventajas e inconvenientes de las Macrocaacutepsulas 39
Tabla 31 Resumen superficies de los distintos espacios vivienda en estudio
44
Tabla 32 Cumplimiento de la envolvente elementos constructivos de la
vivienda en estudio 44
Tabla 33 Especificaciones teacutecnicas de PCM a utilizar 52
Tabla 34 Clasificacioacuten de los edificios seguacuten su destino superficie edificada y
nuacutemero de pisos 58
Tabla 35 Resistencia al fuego para diferentes elementos de construccioacuten 59
Tabla 36 Tabique perimetral estructura madera en vivienda en estudio 60
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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INTRODUCCION
Debido al avance de la ciencia y la tecnologiacutea la calidad de vida y los
sistemas de produccioacuten en la industria han mejorado lo que ha aumentado el
consumo mundial de energiacutea en paiacuteses industrializados y las economiacuteas
emergentes Este aumento en el consumo de energiacutea tiene efectos nocivos sobre
el medio ambiente como el aumento de las emisiones de gases a la atmoacutesfera
entre otros Por lo tanto los paiacuteses estaacuten promoviendo cada vez maacutes nuevas
poliacuteticas energeacuteticas y promoviendo dos tipos de acciones para reducir las
emisiones entre otras aumentar la proporcioacuten de energiacutea renovable y promover
medidas de ahorro y eficiencia energeacutetica Debido a las crecientes
preocupaciones sobre el consumo de energiacutea se necesita urgentemente maacutes
investigacioacuten
Entre las medidas de eficiencia energeacutetica surge la necesidad de estudiar
el uso de energiacutea solar a traveacutes de la aplicacioacuten de materiales de cambio de fase
(PCM seguacuten sus siglas en ingleacutes Phase Change Materials) Estudios recientes
sobre materiales de cambio de fase han demostrado que hay varios aspectos
para mejorar en la aplicacioacuten y caracterizacioacuten de estos materiales (Anisur
2013)
Actualmente el sector de la construccioacuten contribuye considerablemente al
consumo total de energiacutea y las emisiones de gases de efecto invernadero a la
atmoacutesfera Los edificios consumen maacutes del 40 de la energiacutea primaria del
mundo que es responsable del 30 de las emisiones de gases de efecto
invernadero (Thorpe 2011)
A nivel local el sector residencial es responsable de las altas demandas
energeacuteticas equivalente a 23 del consumo energeacutetico nivel paiacutes Del parque
habitacional existente en Chile 75 fue construido sin consideraciones teacutermicas
y de eficiencia energeacutetica dicha situacioacuten provoca que el usuario asuma el costo
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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del consumo energeacutetico en calefaccioacuten y refrigeracioacuten para mantener la vivienda
en zona confort (Wegertseder 2015)
Tradicionalmente el consumo de energiacutea se reduce mediante el uso de
aislamiento teacutermico de alta calidad en la envolvente de un edificio para reducir la
transferencia de calor entre el interior y exterior (Zhou D Tian Y Qu Y amp
Chen Y K 2016) Un aumento en la eficiencia de los sistemas de calefaccioacuten
ventilacioacuten y aire acondicionado (HVAC) tambieacuten ha sido responsable de una
reduccioacuten en el consumo de energiacutea sin embargo las mejoras en la eficiencia
energeacutetica no deben limitarse a estos enfoques
Un estudio de investigacioacuten describioacute que el aumento de la inercia teacutermica
del edificio reduce la cantidad de energiacutea utilizada para calefaccioacuten y refrigeracioacuten
(Ling H Chen C Qin H Wei S Lin J Li N) ya que reduce las
fluctuaciones en la temperatura interior ayudando a mantener el espacio interno
dentro del rango de confort teacutermico y reduciendo la necesidad de utilizar sistemas
de aire acondicionado
El almacenamiento de energiacutea se puede implementar mediante calor
sensible aumentando y disminuyendo la temperatura de los recubrimientos de
edificios o mediante calor latente Con la inclusioacuten de materiales de cambio de
fase conduce a una mayor densidad de energiacutea teacutermica Los materiales de
cambio de fase estaacuten asociados con el almacenamiento de calor latente (LHS)
con su principal ventaja de tener una alta densidad de almacenamiento a
temperatura constante Por lo tanto los materiales de cambio de fase han
demostrado que su almacenamiento de energiacutea teacutermica latente se puede utilizar
para calentar y enfriar a sistemas de construccioacuten pasivos o activos (B Zalba J
Marin L Cabeza y H Mehling 2003)
Investigaciones maacutes recientes han estudiado sus propiedades fiacutesicas
quiacutemicas cineacuteticas y especialmente teacutermicas para seleccionar el material de
cambio de fase maacutes adecuado para la presente investigacioacuten (Ramiacuterez A
Santos A amp Gonzaacutelez N 2012)
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
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El intereacutes sostenido en comprender la importancia de los materiales de
cambio fase llevoacute a investigar el disentildeo del elemento constructivo con los PCM
incorporados para reducir la demanda energeacutetica de la vivienda en estudio y
contribuir a mejoras de condiciones de habitualidad Aquiacute se utilizoacute la
herramienta simulacioacuten Energy Plus para evaluar el rendimiento teacutermico de una
vivienda en estudio ubicada en la ciudad de Concepcioacuten de la regioacuten del Biacuteo-Biacuteo
Chile
En este estudio se demostroacute que es posible maximizar la eficiencia del
ahorro de energiacutea en sistemas activos de climatizacioacuten al optimizar el PCM
aplicado a las paredes exteriores Se identificoacute que los materiales de cambio de
fase son una contribucioacuten a la implementacioacuten del acondicionamiento pasivo
debido a su gran almacenamiento energeacutetico
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
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CAPITULO I ENUNCIADO DE LA INVESTIGACIOacuteN
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11 Planteamiento del problema
En la actualidad las necesidades energeacuteticas a nivel mundial han
aumentado de manera significativa por distintas razones Hoy en diacutea los edificios
consumen maacutes del 40 de la energiacutea primaria del mundo que son responsables
del 30 de las emisiones de gases de efecto invernadero (Thorpe 2011)
A nivel local el sector residencial es responsable de las altas demandas
energeacuteticas equivalente a 23 del consumo energeacutetico nivel paiacutes Del parque
habitacional existente en Chile 75 fue construido sin consideraciones teacutermicas
y de eficiencia energeacutetica dicha situacioacuten provoca que el usuario asuma el costo
del consumo energeacutetico para mantener la vivienda en zona confort (Wegertseder
2015)
Se estima que el sector de la construccioacuten es el responsable de generar
el 33 del total de emisiones de gases de efecto invernadero (MINVU 2018)
A traveacutes de un estudio realizado el antildeo 2019 por la Caacutemara Chilena de
la Construccioacuten sobre los usos de la energiacutea en el sector residencial declara que
el 53 del consumo total de la vivienda chilena es destinado a calefaccioacuten (CDT
2019)
Una forma eficiente de reducir el consumo de energiacutea para calefaccioacuten o
refrigeracioacuten en los espacios es aumentar la inercia teacutermica de un edificio De
esta manera las temperaturas interiores son menos sensibles a las variaciones
de la temperatura exterior y se requiere menos energiacutea para mantenerlas en el
rango de confort teacutermico Un edificio con una estructura de marco de concreto
tendraacute una mayor inercia teacutermica que un edificio con una estructura de marco de
acero o madera (Soares N Costa J J Gaspar A R amp Santos P 2013) Una
forma de aumentar la inercia teacutermica de un edificio es utilizar el almacenamiento
de calor latente (LHS) que es la energiacutea que almacena un material cuando sufre
un cambio de fase (Akeiber H Nejat P Majid M Z A Wahid M A
Jomehzadeh F Zeynali Famileh IZaki S A 2016)
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El material de cambio de fase (PCM) es un tipo de material que
experimenta un cambio de fase en este caso de liacutequido a soacutelido a una
temperatura dentro del rango de confort teacutermico Este tipo de material tiene la
capacidad de almacenar grandes cantidades de energiacutea en comparacioacuten con los
materiales de construccioacuten tradicionales que solo almacenan calor sensible Por
ejemplo una pared que contiene PCM con 25 mm de espesor almacena
aproximadamente la misma energiacutea que una pared de concreto con 420 mm de
espesor (Al-Saadi S N amp Zhai Z 2013) Los PCM tienen un gran potencial
para aumentar la inercia teacutermica de un edificio debido a su gran LHS por lo tanto
son especialmente uacutetiles en edificios de construccioacuten livianas en seco como
estructuras reticulares en madera o acero galvanizados (Marin P Saffari M de
Gracia A Zhu X Farid M M Cabeza L F amp Ushak S 2016) Esto permite
que el edificio tenga menor peso un aacuterea uacutetil mayor y auacuten mantenga una alta
inercia teacutermica
Cuando los PCM cambian su estado de liacutequido a soacutelido liberan calor
latente y cuando cambian de soacutelido a liacutequido absorben calor latente Cuando este
proceso ocurre a una temperatura entre 19-27 degC el material contribuye a
aumentar el confort teacutermico porque ayuda a mantener la temperatura interna
dentro de este rango Durante el diacutea cuando hay demasiadas ganancias de
radiacioacuten solar este material cambia su fase de soacutelido a liacutequido absorbiendo
calor y evitando un aumento significativo de la temperatura interior Por la noche
cuando la temperatura exterior baja el material cambia su fase de liacutequido a
soacutelido liberando calor y evitando una gran disipacioacuten de energiacutea en el interior de
la vivienda (Jamil H Alam M Sanjayan J amp Wilson J 2017)
Durante el verano puede ocurrir un sobrecalentamiento en el muro y
hacer que se use un PCM que se derrita a altas temperaturas (alrededor de
26 degC) ya que evitaraacute que la temperatura de una habitacioacuten elevaacutendose por
encima del rango de confort teacutermico Si el objetivo es la estabilizacioacuten de la
temperatura interior en la zona de confort un PCM que se derrita a 23 degC deberiacutea
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ser la mejor opcioacuten En el invierno puede ser necesario evitar que la temperatura
de una habitacioacuten baje por debajo del rango de confort teacutermico y en este caso
se recomienda un PCM que solidifique alrededor de 21 degC (Soares N Gaspar
A R Santos P amp Costa J 2014)
Esta tecnologiacutea no solo tiene el potencial de ahorrar cantidades
considerables de energiacutea y emisiones de CO2 sino que tambieacuten se puede utilizar
para aprovechar los precios pico de electricidad utilizando las unidades de aire
acondicionado cuando hay una menor demanda en la red eleacutectrica Por ejemplo
en invierno la unidad de aire acondicionado (AC) podriacutea funcionar durante la
noche produciendo calor que seriacutea absorbido por el tablero PCM y luego liberado
por eacutel durante el diacutea cuando los precios de la electricidad son mucho maacutes altos
(Devaux P amp Farid M 2017) Esto tambieacuten como la ventaja de evitar el ruido y
las corrientes de aire causadas por las unidades de CA durante las horas de
trabajo de una oficina
Aunque esta tecnologiacutea tiene un gran potencial en almacenar energiacutea
con respecto a otros materiales existe el problema de la baja transferencia de
calor porque estos materiales generalmente tienen baja conductividad teacutermica lo
que hace que la absorcioacuten y liberacioacuten de calor por parte del PCM sea mucho
maacutes difiacutecil (Fan L amp Khodadadi J M 2011)
Para aprovechar la gran capacidad de almacenamiento de calor latente
la temperatura de una zona debe estar cerca de la temperatura de cambio de
fase de lo contrario un PCM solo almacena calor sensible que es insignificante
en comparacioacuten al calor latente (Chwieduk 2013)
Investigadores concluyen sobre acondicionamiento teacutermico en
envolventes de viviendas utilizando materiales de cambio de fase que la
implementacioacuten adecuada de los PCM en una edificacioacuten puede un 35 reducir
el consumo energeacutetico y por lo tanto es posible usar equipos de
acondicionamiento teacutermico de menor potencia e incluso prescindir de ellos (Bello
R E Muntildeoz M M Vasco C 2015)
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En el desarrollo de aplicaciones para los PCM un investigador disentildeoacute un
muro con material de cambio de fase y para probar su funcionamiento utilizoacute dos
habitaciones ideacutenticas En la primera habitacioacuten los muros teniacutean un enlucido de
yeso normal y en la segunda habitacioacuten el muro poseiacutea una placa de yeso
revestido con micro encapsulacioacuten de PCM (50 butil estearato y 48 palmitato
de butilo) Resultoacute que la habitacioacuten con material cambio de fase una reduccioacuten
energeacutetica de 22 (Scalat S Banu D Hawes D Paris J Haghighata F
Feldman D 1996)
Los investigadores a nivel mundial han creado estrategias para
solucionar el consumo energeacutetico En Chile auacuten no se analiza en forma
sistemaacutetica considerando que seriacutea de gran ayuda para disminuir el consumo
energeacutetico residencial
Por todo lo anteriormente mencionado se establece que esta
investigacioacuten estaraacute orientada al estudio de materiales con cambio de fase
simulando su comportamiento teacutermico de una vivienda en estudio ubicada en la
ciudad de Concepcioacuten de la regioacuten del Biacuteo-Biacuteo utilizando el software Energy Plus
12 Preguntas de investigacioacuten
iquestEs posible disminuir la demanda energeacutetica de una vivienda en estudio
incorporando materiales con cambio de fase
iquestQueacute material PCM es conveniente utilizar en los muros de la vivienda en
estudio
iquestQueacute comportamiento tendraacuten los PCM en la simulacioacuten
13 Hipoacutetesis
Se puede mejorar la habitabilidad y reducir un 30 la demanda energeacutetica
de una vivienda en estudio en la ciudad de Concepcioacuten mejorando el
almacenamiento teacutermico de sus muros incorporando material con cambio de fase
(PCM)
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14 Objetivos
141 Objetivo general
Proponer una metodologiacutea de evaluacioacuten en funcioacuten de la realidad local
que permitiraacute analizar la potencialidad en aplicar los materiales cambio de fase
en las construcciones chilenas contribuyendo a mejorar las condiciones de
habitabilidad
142 Objetivos especiacuteficos
Identificar materiales con cambio de fase (PCM) utilizados como estrategia
de calefaccioacuten pasiva en edificacioacuten Con la validacioacuten de todos los
reglamentos en Chile
Definir el sistema constructivo del muro exterior en cuanto a la ubicacioacuten
del PCM
Definir materiales con cambio de fase en relacioacuten de sus propiedades
teacutermicas para realizar simulacioacuten energeacutetica
Definir metodologiacutea de caacutelculo y estimar ahorros energeacuteticos para la zona
en funcioacuten del material base
Obtener simulaciones de demanda energeacutetica para la vivienda en estudio
con y sin materiales de cambio de fase incorporados en sus muros
mediante el software Energy Plus
Optimizar el disentildeo de la solucioacuten constructiva con PCM en relacioacuten a los
datos de la zonificacioacuten
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CAPITULO II MARCO TEOacuteRICO
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21 Marco Teoacuterico
A continuacioacuten se nombraraacute conceptos esenciales que aborda la
investigacioacuten tales como aislacioacuten teacutermica conductividad teacutermica confort
teacutermico y Inercia teacutermica
Cabe de destacar que la inercia teacutermica juega un papel importante en los
sistemas de calefaccioacuten pasiva ya que el retraso teacutermico puede ser mayor o
menor dependiendo el espesor y materialidad
La inercia teacutermica permite ir liberando el calor acumulado en los elementos
compuestos por materiales pesados en la vivienda de manera tal que durante
la noche cuando la temperatura desciende esta baja sea amortiguada por el calor
cedido
En el verano la envolvente se encuentra expuesta a la radiacioacuten solar y al
soleamiento por lo tanto debe ser capaz de almacenar el calor obtenido desde
el exterior y asiacute evitar que la temperatura en el interior del recinto sea elevada
durante el diacutea generando una peacuterdida de confort (CCHC 2010)
22 Materiales con cambio de fase (PCM)
Un PCM es una sustancia capaz de almacenar y liberar energiacutea del medio
que le rodea manteniendo la temperatura constante durante la transferencia de
calor Este intercambio de energiacutea se denomina calor latente de un material y se
produce durante el cambio de fase del mismo El intereacutes de estos materiales es
que durante el cambio de fase la temperatura media se mantiene constante
mientras el material absorbe o libera energiacutea durante la etapa de fusioacuten o
solidificacioacuten del material Esto supone una mayor densidad energeacutetica en este
proceso respecto a un intercambio por calor sensible
En una investigacioacuten sobre PCM afirma que estos mediante su calor
latente de fusioacuten almacenan de 5 a 14 veces maacutes calor por unidad de volumen
que materiales por almacenamiento de calor sensible como el agua albantildeileriacutea
o rocas entre otras (Sharma 2009)
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Para la investigacioacuten se estudioacute materiales cambio fase de estado liacutequido-
solido ya que aunque la cantidad de energiacutea almacenada es inferior que entre
otros cambios de estado (solido-gas) la variacioacuten de volumen del estado es
menor
221 Funcionamiento
La mejor forma para explicar el funcionamiento de estos materiales es
estudiando el proceso de cambio de fase del agua en estado liacutequido el agua va
aumentando su temperatura progresivamente hasta alcanzar los 100degC Una vez
alcanza esta temperatura empieza su cambio de estado en el cual absorberaacute
calor pero mantendraacute una temperatura constante de 100degC hasta que finalice su
cambio de fase y todo el liacutequido se haya convertido en vapor De manera inversa
ocurre cuando la temperatura del agua disminuye hasta alcanzar los 0degC En este
caso el agua empezaraacute a liberar calor y durante este proceso mantendraacute su
temperatura constante en 0degC hasta que complete su solidificacioacuten y todo el
liacutequido se haya convertido en hielo (B Zalba J Marin L Cabeza y H Mehling
2003)
En la Figura 21 se observa coacutemo la temperatura se mantiene constante
en 0degC formando una recta horizontal durante su cambio de fase y posteriormente
en 100degC hasta que se convierte en vapor
Figura 21 Diagrama de proceso de cambio de fase Hielo ndash Vapor
Fuente (B Zalba J Marin L Cabeza y H Mehling 2003)
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
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Del mismo modo actuacutean los PCM cada uno tiene su propia temperatura
de cambio de fase y gracias a las variaciones de temperatura entre el diacutea y la
noche ocurren los ciclos de fusioacuten y solidificacioacuten de estos materiales resultando
en la absorcioacuten maacutexima de energiacutea durante el diacutea cuando las temperaturas
suben y la disipacioacuten de eacutesta en la noche cuando la temperatura ambiente baja
La energiacutea utilizada para cambiar el estado del material dado que la temperatura
de cambio de fase es aproximada a la temperatura ambiente de confort deseada
daraacute lugar a un clima interior maacutes estable y coacutemodo asiacute como tambieacuten reduciraacute
las cargas de enfriamiento y calefaccioacuten en horas pico especialmente en
aquellas edificaciones con baja masa teacutermica (S E Kalnaes and B P Jelle
2015)
222 Propiedades
A continuacioacuten se describiraacuten las propiedades maacutes relevantes que definen un
material de cambio de fase (Oroacute 2012)
a) Propiedades Termofisica
Temperatura de fusioacuten (Tf) en el rango de funcionamiento seguacuten la
aplicacioacuten
Alto calor latente de fusioacuten (ΔHf) por unidad de volumen
Alto calor especiacutefico para proporcionar calor sensible adicional
significativo
Alta conductividad teacutermica en fase soacutelida y liacutequida (buena transferencia de
calor)
Baja variacioacuten de volumen en el cambio de fase y baja presioacuten de vapor a
la temperatura de funcionamiento
Fusioacuten congruente del material de cambio de fase con cada ciclo de
solidificacioacutenfusioacuten con el miacutenimo sub-enfriamiento
Cambio de fase ciclo continuo con termino de vida uacutetil
Alta densidad
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b) Propiedades quiacutemicas
Ciclo de solidificacioacutenfusioacuten reversible y completo
Baja degradacioacuten despueacutes de un elevado nuacutemero de ciclos de
fusioacutensolidificacioacuten
No corrosivo para los materiales encapsulados
No toacutexico no inflamable y no explosivo
c) Econoacutemicas
Abundante y disponible
Rentable en relacioacuten al ahorro energeacutetico y costos del material
Faacutecil reciclaje y tratamiento quiacutemicos
223 Almacenamiento de energiacutea teacutermica
La necesidad de almacenamiento energeacutetico y de buscar formas de
acondicionamiento pasivo es lo que inspira a la investigacioacuten a centrarse en el
almacenamiento teacutermico Es fundamental para el desarrollo del paiacutes disminuir la
demanda energeacutetica sin sacrificar el confort (PRIEN 2002)
En esta seccioacuten de la investigacioacuten se daraacute a conocer las formas de
almacenamiento teacutermico existentes y dando eacutenfasis al almacenamiento
energeacutetico por calor latente donde pertenecen los materiales de cambio fase
(PCM)
El equilibrio termodinaacutemico de los PCM se debe principalmente a los
intercambios de calor con el entorno externo El tiempo para que el PCM alcance
el nuevo equilibrio termodinaacutemico es el tiempo necesario para que el calor sea
intercambiado con el espacio a climatizar Los paraacutemetros baacutesicos de los
materiales de cambio de fase incluyen seguacuten ecuacioacuten (1)
bull Capacidad caloriacutefica [J kg]
119876 = int 119862119901119904 119889119905 + 119862119898 + int 119862119901119897 119889119905 cong 119862119901119904(119879119898 minus 1198791) + 119862119898 + 1198792
119879119898
119879119898
1198791
119862119901119897(1198792 minus 1198791)
Ec 1
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Donde 119862119901119904 o 119862119901119897 Calor especiacutefico soacutelido y liacutequido kJ(kg times K) 119862119898 Calor
de transformacioacuten de fase (fusioacuten) kJ(kg times K) Tm - temperatura de transicioacuten
de fase (fusioacuten) T1 T2 rango de temperatura de funcionamiento de operacioacuten
224 Clasificacioacuten
Actualmente existe un gran nuacutemero de materiales cambio fase que han
sido investigados debido a que poseen una temperatura y un alto calor latente
de fusioacuten dentro del rango operacional deseado sin embargo exceptuando por
esta caracteriacutestica la mayoriacutea de estos materiales no satisfacen los otros
criterios necesarios para un medio de almacenamiento adecuado (Sharma
2009)
Aquellos que siacute responden a estas prestaciones y se encuentran disponibles en
el mercado pueden ser clasificados en tres grandes grupos orgaacutenicos
inorgaacutenicos y euteacutecticos (V Tyagi amp D Buddhi 2007)
Figura 22 Clasificacioacuten de los Materiales Cambio Fase
Fuente Elaboracioacuten Propia
Materiales Cambio Fase
Organico
Parafina Acido Graso
Inorganico
Sal Hidratada
Metalico
Eutectico
Inorganico -Inorganico
Inorganico -Organico
Organico -Organico
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Los materiales de cambio de fase liquido-solido maacutes comunes estaacuten en el
rango de temperaturas entre 20degC y 80 degC son las ceras de parafina sales
hidratadas mezclas euteacutecticas y aacutecidos grasos
Las ceras de parafina estaacuten disponibles en el mercado pero su calor
latente (hasta 200 kJkg) es solo la mitad del de las sales hidratadas
Las sales hidratadas son maacutes econoacutemicas que las ceras de parafina y
tambieacuten estaacuten disponibles en el mercado pero tienen algunas desventajas como
las bajas temperaturas de fusioacuten o la corrosioacuten en contacto con metales
En las mezclas euteacutecticas intervienen dos componentes con punto de
fusioacuten (solidificacioacuten) maacutes bajo que el que poseen los compuestos
individualmente Esto hace que la mezcla alcance el punto de congelacioacuten maacutes
bajo posible y ambos se solidifiquen a esa temperatura euteacutectica (Ramiacuterez A
Santos A amp Gonzaacutelez N 2012)
Los PCM tienen una significativa capacidad de almacenar calor por medio
del cambio de estado pero es necesario tener en cuenta los paraacutemetros de
disentildeo del problema y las ventajas y desventajas de los diferentes tipos de
materiales para determinar cuaacuteles son los maacutes apropiados de utilizar en la
construccioacuten dependiendo de sus diferentes caracteriacutesticas y maacutes importante
aun dependiendo de si su temperatura de cambio de fase se acerca a la
temperatura de confort
2241 PCM inorgaacutenicos sales hidratadas
Seguacuten varios investigadores estos materiales fueron muy estudiados en
las primeras etapas de investigacioacuten de PCM por su bajo costo y su capacidad
de almacenamiento de grandes cantidades de calor por unidad de volumen en
comparacioacuten con las sustancias orgaacutenicas que las convierten en candidatos
idoacuteneos para sus muacuteltiples aplicaciones en el aacutembito del almacenamiento de
energiacutea
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
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La buacutesqueda de sustancias con temperatura de cambio de fase proacutexima a
la temperatura ambiente no ha encontrado buenos candidatos dentro de este
grupo y las investigaciones se han dirigido maacutes hacia las sustancias orgaacutenicas
Tabla 21 Ventajas e inconvenientes de los PCM inorgaacutenicos
Ventajas Inconvenientes
Econoacutemicos Problemas en el encapsulado y preparacioacuten
del material
Elevada densidad de
almacenamiento teacutermico
Para un uso prolongado necesita de aditivos
Elevada conductividad teacutermica Son susceptibles de sub enfriamiento
(Inestables)
Temperatura de cambio de fase
claramente definida
Debido a la inestabilidad teacutermica y histeacuteresis
se debe aplicar aditivos para evitar una fusioacuten
incongruente en su aplicacioacuten donde puede
reducir su capacidad de almacenamiento de
calor latente
No inflamables Potencialmente corrosivos con algunos
metales
Reciclables y biodegradables
Fuente (Ramiacuterez A Santos A amp Gonzaacutelez N 2012)
Las sales hidratadas tienen algunas propiedades atractivas como los
elevados valores de calor latente no son inflamables y su elevado contenido
hiacutedrico significa que son baratos y muy disponibles Sin embargo sus
caracteriacutesticas de inadaptacioacuten (corrosioacuten inestabilidad dificultades de re-
solidificacioacuten y tendencia al sub enfriamiento) han implicado la realizacioacuten de
estudios hasta la actualidad para poder manejar estas desventajas y realizar su
correcta aplicacioacuten Necesitan por tanto un contenedor para utilizarlos como
aditivos de otros materiales (Ramiacuterez A Santos A amp Gonzaacutelez N 2012)
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Tabla 22 Temperatura de fusioacuten de algunas sales hidratadas
PCM Temperatura
fusioacuten (ordmC)
Q fusioacuten (kJkg)
KFmiddot4H2O 185 231
Na2SO4middot10H2O 324 254
CaCl2middot6H2O 24ndash29 192
CaCl2middot6H2O+Nucleador+MgCl2middot6H2O 23 -
Fuente (Ramiacuterez A Santos A amp Gonzaacutelez N 2012)
En la tabla 21 se muestran algunas ventajas y desventajas de los PCM
inorgaacutenicos y en la tabla 22 se muestran las temperaturas de fusioacuten de las sales
hidratadas que permiten determinar cuaacuteles son las oacuteptimas para utilizar en
aislacioacuten (las cuales su temperatura de fusioacuten se acerca a la temperatura de
confort)
2242 PCM orgaacutenicos parafinas aacutecidos grasos y mezclas orgaacutenicas
Los PCM orgaacutenicos poseen unas caracteriacutesticas que los hacen muy uacutetiles
en su aplicacioacuten en determinados elementos constructivos para almacenamiento
de calor latente
Investigadores determinaron que son maacutes estables quiacutemicamente que las
sustancias inorgaacutenicas funden y solidifican convenientemente sin necesidad de
agentes nucleadores y no sufren sub-enfriamiento o histeacuteresis (Gawron 1981)
No obstante se ha demostrado que son maacutes compatibles y adecuados para la
adsorcioacuten en varios materiales constructivos Aunque el costo inicial en materia
prima de un PCM orgaacutenico es superior al de un inorgaacutenico su costo final es
competitivo
Sin embargo estos materiales tienen otras desventajas la maacutes
significativa es que son inflamables y que emiten gases nocivos durante su
combustioacuten Otros problemas menos extendidos son las reacciones con los
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
30
Diego Sarabia Meacutendez
productos de la hidratacioacuten en hormigoacuten (hidroacutexido de calcio) envejecimiento por
oxidacioacuten y cambios de olor
Muchos de estos inconvenientes se han eliminado Se ha visto que el
envejecimiento por oxidacioacuten de los PCM puede inhibirse utilizando un oxidante
adecuado Se estaacute investigando tambieacuten en la emisioacuten de gases y la
inflamabilidad de algunos de los PCM maacutes efectivos para establecer un radio de
ignicioacuten Tambieacuten se estaacute investigando sobre la compatibilidad de los PCM con
el hormigoacuten (Ramiacuterez A Santos A amp Gonzaacutelez N 2012)
En la tabla 23 se muestran algunas ventajas y desventajas de los PCM
orgaacutenicos y en la tabla 24 y 25 se muestran las temperaturas de fusioacuten de las
parafinas y aacutecidos grasos que permiten determinar cuaacuteles son las oacuteptimas para
utilizar en aislacioacuten (las cuales su temperatura de fusioacuten se acerca a la
temperatura de confort)
Tabla 23 Ventajas e inconvenientes de los PCM orgaacutenicos
Ventajas Inconvenientes
Faacuteciles de usar Calor latente y entalpiacutea maacutes bajos
Estabilidad teacutermica y quiacutemica Baja conductividad teacutermica
No sufren subenfriamiento Amplio rango de fusioacuten
No necesitan agente nucleador para
solidificar
Inflamables
No corrosivos Reaccioacuten potencial con hormigoacuten
Reciclables y ecoloacutegicamente inocuos Alto costo
Compatibilidad con materiales de construccioacuten convencionales
Fuente (Ramiacuterez A Santos A amp Gonzaacutelez N 2012)
Dentro de los PCM orgaacutenicos se pueden encontrar tres grupos de
sustancias diferentes parafinas aacutecidos grasos y mezclas orgaacutenicas A
continuacioacuten se presenta una pequentildea descripcioacuten de estos (Ramiacuterez A
Santos A amp Gonzaacutelez N 2012)
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
31
Diego Sarabia Meacutendez
22421 Parafinas
Las parafinas son esencialmente un alcalino solido refinado Muestran dos
rangos de enfriamiento un rango maacutes estrecho para un breve periodo de tiempo
y un rango maacutes extenso que ocurre durante un periodo maacutes amplio Ambos se
interpretan como una transicioacuten de liacutequido a amorfo-soacutelida y amorfo-solida a
cristalino-solida respectivamente Parte del calor latente total de fusioacuten se
almacena en la sustancia durante cada una de estas transiciones
Tabla 24 Temperatura de fusioacuten de algunas parafinas
PCM Temperatura fusioacuten (ordmC) Q fusioacuten (kJkg)
Hexadecano 18 236
Heptadecano 22 214
Octadecano 28 244
Parafina 20ndash60 200
RT25 25 147
Fuente (Ramiacuterez A Santos A amp Gonzaacutelez N 2012)
22422 Aacutecidos Grasos
Los aacutecidos grasos derivados de productos animales y vegetales estaacuten
constituidos por una larga cadena alifaacutetica maacutes de 12 carbonos Su cadena
alquiacutelica puede ser saturada o insaturada
En general muestran excelentes caracteriacutesticas teacutermicas (punto de fusioacuten
y congelacioacuten) El rango de temperatura de refrigeracioacuten es grande y no se
produce sub enfriamiento aunque en algunos casos se han detectado Estos
materiales sin embargo tienen elevado costo pudieacutendose utilizar en dispositivos
especiales de almacenamiento de calor o frio
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
32
Diego Sarabia Meacutendez
Tabla 25 Temperatura de fusioacuten de algunos aacutecidos grasos
PCM Temperatura fusioacuten (ordmC) Q fusioacuten (kJkg)
Caacuteprico 315 158
Laacuteurico 42-44 179
Pentadecano 52 159
Miriacutestico 54 190
Palmiacutetico 63 183
Esteaacuterico 70 196
Eritrol 116-118 126
Fuente (Ramiacuterez A Santos A amp Gonzaacutelez N 2012)
2243 Mezclas euteacutecticas
Tambieacuten existen las mezclas euteacutecticas que puede ser la mezcla de 2
PCM orgaacutenicos de 2 PCM inorgaacutenicos o de un PCM Orgaacutenico maacutes un PCM
inorgaacutenico A continuacioacuten en la tabla 26 se muestra la clasificacioacuten de los PCM
Tabla 26 Clasificacioacuten de los PCMs
Tipo PCM Composicioacuten
Orgaacutenicos Compuestos de parafina
Compuestos sin parafina
Inorgaacutenicos Sales hidratadas
Metaacutelicos
Euteacutecticos Orgaacutenico-Orgaacutenico
Orgaacutenico-Inorgaacutenico
Inorgaacutenico-Inorgaacutenico
Fuente (JuarezD Balart R Ferrandiz S amp Garcia D 2012)
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
33
Diego Sarabia Meacutendez
23 Criterios de seleccioacuten de los Materiales con Cambio se Fase
Es muy importante la correcta seleccioacuten del material de cambio de fase
dependiendo del campo en que se desee utilizar por lo que a continuacioacuten se
presentaran algunos criterios para seleccionar un PCM correctamente Estos
criterios son propuestos seguacuten una investigacioacuten realizada en Espantildea (Ramiacuterez
A Santos A amp Gonzaacutelez N 2012)
a) Fiacutesicas
bull La densidad del liacutequido y del solido deben ser similares y preferiblemente
elevadas para poder almacenar mayor cantidad de calor por unidad de volumen
bull Variacioacuten de volumen (en el cambio de fase) bajo
b) Cineacuteticas
bull Evitar el problema de histeacuteresis subenfriamiento o retardo al inicio de la
solidificacioacuten como ocurre en los PCM inorgaacutenicos que se produce al no ceder
el calor latente de un PCM pese a que su temperatura sea inferior al punto de
congelacioacuten
c) Quiacutemicas
bull El proceso de cambio de fase debe ser totalmente reversible y solo dependiente
de la temperatura
bull Ser quiacutemicamente estables en el tiempo evitando su descomposicioacuten y
contaminacioacuten
bull No presentar segregacioacuten de fases
bull Ser compatibles con los materiales de encapsulado y otros con los que esteacute en
contacto estabilidad quiacutemica para evitar oxidacioacuten descomposicioacuten teacutermica
hidroacutelisis corrosioacuten y otras reacciones
bull No inflamables y resistentes al fuego
d) Teacutermicas
bull La temperatura de cambio de fase debe ser adecuada a cada aplicacioacuten
particular
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
bull Presentar una temperatura de fusioacuten definida o al menos el cambio de fase
debe producirse en un valor discreto o en un pequentildeo intervalo de temperaturas
bull Poseer una gran capacidad de almacenamiento de calor sensible (calor
especiacutefico) en estado soacutelido y liacutequido y elevada entalpia de cambio de fase calor
latente
bull Poseer una alta conductividad teacutermica para facilitar la transferencia de calor
e) Econoacutemicas
bull Estar disponible en grandes cantidades a bajo costo para que sean viables
teacutecnica y econoacutemicamente
bull Tener un razonable ciclo de vida uacutetil de acuerdo con su costo
24 Vida uacutetil del material cambio fase
El tiempo de vida uacutetil de un PCM viene determinado por la cantidad de
ciclos teacutermicos que es capaz de soportar un material manteniendo su estabilidad
teacutermica El PCM es sometido a repetidos ciclos de calentamiento y enfriamiento
en los que el material cambia de fase de soacutelido a liacutequido y posteriormente vuelve
a cambiar de fase de liacutequido a soacutelido Se miden sus propiedades teacutermicas en
temperaturas fusioacuten y entalpias obteniendo el nuacutemero de ciclos en los que las
propiedades teacutermicas del material no variacutean de forma considerable
Tras realizar una exhaustiva buacutesqueda existe muy poca bibliografiacutea
acerca de la degradacioacuten teacutermica de los PCM y la determinacioacuten de su tiempo de
uso especialmente en aplicaciones para edificacioacuten donde la vida uacutetil del material
debe ser elevada
Aunque es complicado conocer la vida uacutetil real de estos materiales y en
queacute momento dejan de conservar sus propiedades adecuadas para las
aplicaciones a las que se destina existen algunos artiacuteculos basados en
experimentos realizados en laboratorios de materiales sometidos a ciclos
teacutermicos acelerados para determinar si en un nuacutemero de ciclos el material
mantiene sus propiedades teacutermicas intactas (temperaturas fusioacuten y entalpias)
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
35
Diego Sarabia Meacutendez
Algunos materiales son sometidos a 50 100 1000 o hasta 5000 ciclos teacutermicos
Pero el problema es determinar si ese maacuteximo de 5000 ciclos es suficiente para
asegurar que un material seguiraacute cumpliendo su funcioacuten Hasta el momento no
se ha encontrado en la literatura ninguna investigacioacuten donde se ensaye el
material un nuacutemero suficiente de ciclos hasta la peacuterdida de sus propiedades
teacutermicas para poder conocer su vida uacutetil o el nuacutemero de ciclos que es capaz de
soportar el PCM hasta su degradacioacuten
Por todo lo anteriormente expuesto en esta investigacioacuten se ha
considerado la vida uacutetil del material como el mayor nuacutemero de ciclos soportados
por un material obtenidos a partir de los estudios realizados por diferentes autores
en la literatura o fabricante a pesar de no haber llegado a degradarse en su
totalidad
25 Aplicacioacuten en la construccioacuten
El sector de la construccioacuten es el que maacutes beneficios puede obtener de la
utilizacioacuten de materiales con cambio de fase (PCM) ya que tiene importantes
beneficios en ahorro energeacutetico reducir la contaminacioacuten de CO2 y optimizar la
inercia teacutermica en las edificaciones con el objetivo de mejorar la habitabilidad de
los usuarios
La temperatura interior en un edificio depende de las condiciones
exteriores interiores y de las caracteriacutesticas teacutermicas de la edificacioacuten como la
capacidad teacutermica de los materiales que tiene un efecto como el mostrado en la
figura 23 el cual no considera un sistema activo en su anaacutelisis
Figura 23 Estabilizacioacuten de la temperatura interior por el efecto inercia teacutermica
Fuente (M Kenisarin amp K Mahkamov 2007)
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
Actualmente la mayoriacutea de los materiales de construccioacuten son livianos lo
que trae como consecuencia una baja capacidad caloriacutefica La introduccioacuten de
materiales de cambio de fase puede aumentar la inercia teacutermica del edificio sin
aumentar mucho su peso Sin embargo es necesario disponer de aacuterea de
transferencia de calor suficiente para liberar esa energiacutea (Dincer I amp Rosen M
2002) y es imprescindible que se pueda descargar el material por medio de la
ventilacioacuten durante la noche para prevenir el sobrecalentamiento en los
elementos con PCM (M Kenisarin amp K Mahkamov 2007)
La Figura 24 muestra una comparacioacuten entre el espesor de material
requerido para obtener la misma capacidad teacutermica que la obtenida con un
centiacutemetro de PCM
Figura 24 Espesor requerido de distintos materiales Vs Energiacutea teacutermica
Fuente (M Kenisarin amp K Mahkamov 2007)
Las caracteriacutesticas requeridas para el empleo de materiales de cambio de
fase en la edificacioacuten son
0 5 10 15 20 25 30 35 40
Yeso
Madera
Hormigon
Ceramico
Ladrillo
PCM
Espesor (cm)
H (
kJK
g)
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
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Diego Sarabia Meacutendez
Temperatura de cambio de fase entre 12 y 25ordmC
Alta estabilidad a los ciclos de cambio de fases debido a la larga vida uacutetil
de los edificios
No corrosivos para reducir el riesgo de fuga de su contenedor y evitar
dantildeos en la estructura del edificio
Considerar la inflamabilidad al fuego y dar soluciones constructivas de
acuerdo a la normativa
Econoacutemicamente viable en funcioacuten de los costos de implementacioacuten y
ahorro energeacuteticos
Una limitacioacuten de los PCM para su aplicacioacuten en la construccioacuten es la
estacionalidad pues el PCM debe ser seleccionado para aplicaciones en
calefaccioacuten pasiva Esta limitacioacuten reduce los beneficios teacutermicos el ahorro
energeacutetico y su viabilidad econoacutemica Investigadores estudiaron un concepto de
doble capa de PCM para que funcionara durante todo el antildeo (A Pasupathy L
Athanasius R Velraj amp RV Seeniraj 2008)
26 Encapsulacioacuten
Uno de los criterios que ha limitado el uso generalizado de los PCM es la
incompatibilidad entre estos materiales y sus contenedores afectando su
estabilidad a largo plazo degradado sus propiedades y provocando la corrosioacuten
de sus recipientes de embalaje Como respuesta a estos inconvenientes han
surgido diferentes teacutecnicas de encapsulacioacuten de los PCM las cuales ofrecen
unas ventajas significativas tales como
Aumento del aacuterea de transferencia de calor
Reduccioacuten de la reactividad hacia el ambiente exterior
Control de los cambios en el volumen eacutestos ocurren dentro de la capsula
No hay absorcioacuten de humedad
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
Los meacutetodos de encapsulacioacuten clasificados de acuerdo a su tamantildeo
pueden ser de dos tipos micro y macro encapsulados (Lane 1986)
261 Microcaacutepsulas
Una investigacioacuten menciona que la micro encapsulacioacuten podriacutea definirse
como el proceso de rodear o envolver una sustancia en otra sustancia a escala
muy reducida produciendo caacutepsulas que van desde 1 μm a 1000 μm de diaacutemetro
Los tres estados de la materia (soacutelidos liacutequidos y gases) pueden ser micro
encapsulado
El material de la membrana exterior debe ser compatible con el PCM y a
su vez ser capaz de hacer frente a la tensioacuten mecaacutenica sobre las paredes del
recipiente provocada por las variaciones de volumen durante el cambio de fase
(S E Kalnaeligs amp B P Jelle 2015)
Por lo general los PCM micro-encapsulados se encuentran
comercialmente disponibles en dos formatos dispersioacuten fluida donde las
caacutepsulas son dispersadas en agua o en polvo en mezclas en seco
La figura 25 muestra en teacuterminos practico la conformacioacuten de la
envolvente de poliacutemero en una cera PCM dimensionando el tamantildeo en ellas
Figura 25 Microcaacutepsulas
Fuente (S E Kalnaes and B P Jelle 2015)
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
262 Macrocaacutepsulas
La macro-encapsulacioacuten hace referencia a PCM encapsulados en
cualquier tipo de recipiente tal como tubos esferas o paneles que pueden ser
incorporados en materiales de construccioacuten o que actuacutean como intercambiadores
de calor por siacute mismos El tamantildeo de estos contenedores es por lo general maacutes
de 1 cm3 almacenando desde varios mililitros hasta varios litros La tecnologiacutea
de macro encapsulacioacuten emplea un proceso de encapsulacioacuten de doble capa
creando una caacutepsula con una configuracioacuten en forma de matriz La principal
ventaja de los envases plaacutesticos es la disponibilidad en el mercado y la facilidad
de producirlos en una gran variedad de formas y con pocas restricciones
geomeacutetricas Ademaacutes son compatibles con la mayoriacutea de PCM incluyendo las
sales hidratadas por lo general no presentan degradacioacuten aunque algunos
materiales orgaacutenicos pueden llegar a suavizarlos (S E Kalnaes and B P Jelle
2015)
El PCM se encuentra confinado por la encapsulacioacuten evitaraacute cambios
volumeacutetricos importantes lo que evita varios riesgos y garantiza la integridad del
componente en el que se insertan las caacutepsulas La barrera polimeacuterica puede ser
de otros materiales por ejemplo como aluminio ya que mejora la compatibilidad
con otros materiales de construccioacuten y evita la corrosioacuten Este tipo de aplicacioacuten
es de faacutecil manejo una clara ventaja de este proceso en relacioacuten a los meacutetodos
de impregnacioacuten e inmersioacuten del iacutetem anterior
Figura 26 Caacutepsulas de macro PCM (Contenedor plano Esfera Placas de
barra doble y placas de aluminio)
Fuente (S E Kalnaeligs amp B P Jelle 2015)
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
CAPITULO III MEacuteTODOS Y METODOLOGIacuteA
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
En este estudio la evaluacioacuten se centra en el anaacutelisis de optimizacioacuten de
la aplicacioacuten PCM a los muros exteriores y dimensionamiento del rendimiento
teacutermico de una vivienda en estudio
Los modelos generados en el software Energy Plus se ingresoacute valores de
los sistemas constructivos de la vivienda en estudio condiciones climaacuteticas
caracterizacioacuten PCM en muros exteriores y caracterizacioacuten macro encapsulacioacuten
de acuerdo con las directrices (DOE 2016) se explica en las siguientes secciones
del capiacutetulo
31 Herramienta de simulacioacuten de energiacutea
Para evaluar los PCM de comportamiento teacutermico variable de la vivienda
en estudio con y sin PCM se utilizoacute el software EnergyPlus v 87
En teacuterminos generales el software puede evaluar una variedad de caacutelculos
destacados como los caacutelculos de puentes teacutermicos HVAC integrado y
simulaciones de carga de construccioacuten confort teacutermico y materiales con
conductividad teacutermica variable como el PCM (DB Crawley LK Lawrie FC
Winkelmann WF Buhl YJ Huang amp CO Pedersen 2001) Ademaacutes hay
muchas opciones para la conveccioacuten de la superficie interior y exterior
algoritmos infiltracioacuten avanzada e ventilacioacuten energiacutea desarrollada costos del
ciclo de vida algoritmos avanzados de confort teacutermico como como la calidad del
aire interior y el confort teacutermico para los ocupantes (DB Crawley JW Hand M
Kummert amp BT Griffith 2008)
Para analizar el comportamiento teacutermico variable de los PCM en estudio
se utilizoacute el algoritmo de diferencia finita de conduccioacuten (CondFD) Este algoritmo
modela la transferencia de calor en presencia de PCM y junto con la ecuacioacuten (2)
discretiza la envolvente del edificio en varios nodos para resolver numeacutericamente
la transferencia de calor en el software se puede escoger ecuaciones por un
esquema totalmente impliacutecito y el Crank-Nicolson que es semi-impliacutecito (KO
Lee 2016)
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
En esta investigacioacuten se utiliza un esquema Crank-Nicolson para simular
PCM para un material homogeacuteneo con espaciado uniforme de nodos como se
muestra en la ecuacioacuten (2) (3) y (4) extraiacutedo del manual del software
EnergyPlus (DOE 2016)
119862119901120588∆119909119879119894
119895+1minus 119879119894
119895
∆119905= (119896119908
119879119894+1119895+1
minus 119879119894119895+1
∆119909+ 119896119864
119879119894minus1119895+1
minus 119879119894119895+1
∆119909+ 119896119908
119879119894+1119895
minus 119879119894119895
∆119909+ 119896119864
119879119894minus1119895
minus 119879119894119895
∆119909)
Ec 2
∆119909 = radic119888120572∆119905 Ec 3
Donde Cp y ρ son el calor especiacutefico y la densidad del material Δ119909 es el
espesor de capa de diferencia finita Δ119905 es el paso de tiempo 119879 es la temperatura
de un nodo 119894 119894 + 1 y 119894 minus 1 son los nodos adyacentes al interior y exterior
respectivamente de una capa de material 119895 y 119895 + 1 son los pasos de tiempo
anterior y nuevo 119896119908 y 119896119864 representan las conductividades teacutermicas 119896119908 =
119896119894+1119895+1
+119896119894119895+1
2 y 119896119864 =
119896119894minus1119895+1
+119896119894119895+1
2 120572 es la difusividad teacutermica del material y 119888 es la
constante de discretizacioacuten del espacio que puede definir el usuario (3 es el valor
predeterminado para esta constante seguacuten manual)
Esta investigacioacuten considera el uso de paneles PCM por lo tanto el
algoritmo CondFD ecuacioacuten (2) debe combinarse con una funcioacuten de temperatura
de entalpiacutea ℎ = ℎ (119879) estos datos en la funcioacuten se obtendraacuten de acuerdo al estudio
bibliograacutefico El algoritmo usa esta funcioacuten para actualizar el calor especiacutefico
equivalente (119862119901) en cada paso de tiempo como se muestra en la ecuacioacuten (4)
lowast 119862119901(119879) =ℎ119894
119895minus ℎ119894
119895minus1
119879119894119895
minus 119879119894119895minus1
Ec 4
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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32 Descripcioacuten Vivienda en estudio
En este apartado se define los sistemas constructivos de la vivienda en
estudio con y sin PCM para obtener la liacutenea base de comparacioacuten
En la figura 31 se muestra el disentildeo de vivienda en estudio de 56 m2 y
los espacios interiores con su distribucioacuten de aacutereas veacutease en la tabla 31 esta
vivienda se configuro de acuerdo a las soluciones constructivas acreditadas
(MINVU Soluciones constructivas acreditadas al fuego teacutermico y acuacutestico
2020)
Las caracteriacutesticas de la envolvente de la vivienda en estudio cuentan con
la configuracioacuten miacutenima de la reglamentacioacuten teacutermica que actualmente rige en
Chile estaacute establecida en la Ordenanza General de Urbanismo y Construcciones
en su artiacuteculo 4110 y en una zonificacioacuten del paiacutes en zonas teacutermicas seguacuten
grados-diacutea especificados en el manual de aislamiento teacutermico (MINVU Manual
de aplicacioacuten y reglamentacoacuten teacutermica 2017) Los complejos de techumbres
muros perimetrales y pisos inferiores ventilados entendidos como elementos que
constituyen la envolvente de la vivienda deberaacuten tener una transmitancia teacutermica
ldquoUrdquo igual o menor o una resistencia teacutermica total ldquoRtrdquo igual o superior a la
sentildealada para la zona que le corresponda al proyecto de arquitectura de acuerdo
con los planos de zonificacioacuten teacutermica corresponde a zona 4 y se verifica lo
anteriormente expuesto en la tabla 32 cabe sentildealar que los valores de
transmitancia teacutermica se extrajeron de acuerdo a las ecuaciones de balance
teacutermico que estaacute incorporado en el software
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
Figura 31 Descripcioacuten Vivienda en estudio
Elaboracioacuten Propia - Software Revit
A continuacioacuten se muestra las dimensiones que tiene cada espacio de las
dos torres del edificio en las siguientes tablas
Tabla 31 Resumen superficies de los distintos espacios vivienda en estudio
Torre A
Lugar Superficie (119950120784) Altura (m)
Dormitorio Primario 8 24
Dormitorio Secundario 7 24
Cocina 9 24
Living - Comedor 28 24
Bantildeo 3 24
TOTAL 56
Fuente Elaboracioacuten Propia
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Tabla 32 Cumplimiento de la envolvente elementos constructivos de la vivienda en estudio
Elemento Materiales (exterior al
interior)
Espesor (m)
Transmitencia teacutermica Valor U (Wm2K)
Transmitencia teacutermica exigida Valor U (Wm2K)
Muro Exterior
Siding
Fibrocemento
0006
0672
17
Plancha OSB 0009
Entramado
madera pino 2x3
0075
Lana de vidrio 005
Caacutemara no
ventilada
(Ubicacioacuten del
PCM)
0026
Placa yeso cartoacuten 0015
Muro Interior
Placa yeso cartoacuten 0015
0677
17
Entramado
madera pino 2x2
0075
Lana de vidrio 005
Placa yeso cartoacuten 0015
Techumbre
Plancha Zincalum 0035
0316
038
Fieltro 0005
Plancha OSB 0009
Entramado madera pino 2x2
0075
Lana de Vidrio 005
Placa yeso cartoacuten 00125
Piso en contacto
con el terreno
Radier Hormigoacuten 02 17 No aplica
Fuente Elaboracioacuten Propia
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
Para integrar el PCM con la vivienda en estudio se configuro las
propiedades teacutecnicas y la ubicacioacuten optima interna del PCM al panel externo
constructivo donde se administroacute en el modelo de simulacioacuten veacutease en la Figura
313 y figura 38
321 Meacutetodo de zona en software EnergyPlus
El modelo de construccioacuten creado se utilizoacute el meacutetodo de zona donde
todas las zonas fueron modeladas con informacioacuten completa en construccioacuten
ocupacioacuten equipamiento y HVAC
Al iniciar el modelo se elige la ubicacioacuten y el tipo de anaacutelisis Despueacutes se
debe ingresar un nombre al sitio y a cada zona Ademaacutes se puede asignar varios
edificios bajo el mismo sitio cada uno con su propio nombre Una vez definido lo
anterior se genera bloque que generalmente representa un piso o nivel planta
para este estudio se genera bloque de acuerdo a la figura 32
Figura 32 Modelo de zona en casa de estudio
Fuente Elaboracioacuten Propia
La fase de zonificacioacuten separa las diferentes zonas teacutermicas Para el
modelo cada suite se considera una zona El meacutetodo de zona permite asignar
diferentes horarios operativos a cada zona Cada una de las paredes de cada
bloque se llama superficie y ventanas o puertas como sub-superficies o
aberturas La vivienda se muestra parcialmente en la Figura 33
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
Figura 33 Zona y sub-superficie de vivienda en estudio
Fuente Elaboracioacuten Propia
El software da la posibilidad de elegir los materiales utilizados en la
construccioacuten de la vivienda a traveacutes de sus bibliotecas de materiales o pueden
ser creados por el usuario y los materiales elegidos son asignado a las partes
especificadas de la vivienda Estos pasos se repitieron en todos los pisos para
completar todo el modelo de construccioacuten
33 Datos meteoroloacutegicos
El modelo de simulacioacuten se mantuvo en base a los datos meteoroloacutegicos
con formato EPW en Energy plus se definioacute la ubicacioacuten Concepcioacuten Chile Con
el objetivo de evaluar el rendimiento teacutermico y analizar la optimizacioacuten de la
posicioacuten del PCM al muro exterior de la vivienda en estudio Las configuraciones
de los datos meteoroloacutegicos se muestran en la Figura 34
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
48
Diego Sarabia Meacutendez
Figura 34 Configuracioacuten datos meteoroloacutegico
Fuente Elaboracioacuten Propia
34 Jornadas de ocupacioacuten
Para realizar la simulacioacuten energeacutetica se deben definir una serie de
planillas de ocupacioacuten de los recintos uso de luminaria y equipos En estas
planillas de ocupacioacuten se define el ciclo horario para todos los diacuteas del antildeo
Esto se realiza con la finalidad de establecer los periodos en los que
influyen los distintos tipos de cargas internas en la vivienda
A continuacioacuten se adjunta a modo de ejemplo la figura 35 en la cual se
puede ver el menuacute de configuracioacuten de las plantillas de ocupacioacuten
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
49
Diego Sarabia Meacutendez
Figura 35 Planilla de uso horario de un recinto
Fuente Elaboracioacuten propia
35 Configuracioacuten envolvente por elemento y sistemas de climatizacioacuten
Definidos las zonas y multi zonas del modelo se deberaacute configurar los
sistemas constructivos en sus propiedades teacutermicas y dimensiones El software
automaacuteticamente genera el caacutelculo de transmitancia teacutermica anaacutelisis de
condensacioacuten y dimensioacuten en imagen por elemento Veacutease en la figura 36
Para configurar el sistema de climatizacioacuten primero se debe definir los
rangos de temperatura confort teacutermico en la pestantildea de actividades del software
Veacutease figura 37 A continuacioacuten se define el tipo de sistema de climatizacioacuten
definiendo las horas de operacioacuten tipo combustible y rendimiento del sistema
como se muestra en la figura 38
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
50
Diego Sarabia Meacutendez
Figura 36 Planilla configuracioacuten envolvente por elemento
Fuente Elaboracioacuten propia
Figura 37 Planilla configuracioacuten rango de temperatura confort teacutermico
Fuente Elaboracioacuten propia
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
Figura 38 Planilla configuracioacuten del tipo de sistema de climatizacioacuten
Fuente Elaboracioacuten propia
36 Caracterizacioacuten PCM
En este estudio se utilizoacute placas PCM tipo orgaacutenico de parafina tiene una
relacioacuten de mezcla de n-octadecano a n-heptadecano seleccionado debido a la
eficiencia energeacutetica con temperatura cercana al confort teacutermico (12ndash26 deg C)
basado en ISO 13790 (KO Lee 2016)
Seguacuten el estado de arte existente se definioacute los tres materiales de cambio
de fase los cuales son candidatos idoacuteneos para utilizar en esta investigacioacuten
Estos materiales han sido estudiados por diversos autores con el fin de obtener
sus propiedades termofiacutesicas y usarlas en la edificacioacuten La razoacuten de utilizar estos
materiales es debido a sus propiedades teacutermicas y el que su temperatura de
fusioacuten es cercana a la temperatura de confort
Ademaacutes la vida uacutetil del PCM es de 13 antildeos seguacuten su ciclo de cambio
fase considerando 365 cambios fase anual el cual se justifica con los costos de
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
52
Diego Sarabia Meacutendez
inversioacuten al implementar esta tecnologiacutea dependiendo de la magnitud del flujo
de calor el cuaacutel se quiere operar
Las especificaciones teacutecnicas de las placas PCM y el comportamiento de
temperaturas y entalpias de operacioacuten se describen en la tabla 33 las cuales se
vinculan con el algoritmo CondFD de la ecuacioacuten (2) para evaluar su rendimiento
energeacutetico en la vivienda en estudio
361 Seleccioacuten de Materiales Cambio Fase
Tabla 33 Especificaciones teacutecnicas de PCM a utilizar
Caracteriacutesticas RT18HC
Valores Unidades Grafica entalpia y Temperatura
Temperatura de Fusioacuten
18
degC
Almacenamiento de calor
260 [kJkg]
Capacidad calor especifico
2 [kJkgK]
Densidad solido (a los 15degC)
088 [kgl]
Densidad solido (a los 25degC)
077 [kgl]
Conductividad teacutermica
(Ambas fases)
02 [W(mK)]
Expansioacuten de Volumen
125
Maacutexima temperatura operacioacuten
50 degC
Ciclo Cambio fase
5000 -
Caracteriacutesticas RT21HC
Valores Unidades Grafica entalpia y Temperatura
Temperatura de Fusioacuten
21
degC
Almacenamiento de calor
155 [kJkg]
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
Capacidad calor especifico
2 [kJkgK]
Densidad solido (a los 15degC)
088 [kgl]
Densidad solido (a los 25degC)
077 [kgl]
Conductividad teacutermica
(Ambas fases)
02 [W(mK)]
Expansioacuten de Volumen
12
Maacutexima temperatura operacioacuten
45 degC
Ciclo Cambio fase
5000 -
Caracteriacutesticas RT22HC
Valores Unidades Grafica entalpia y Temperatura
Temperatura de Fusioacuten
22
degC
Almacenamiento de calor
190 [kJkg]
Capacidad calor especifico
2 [kJkgK]
Densidad solido (a los 15degC)
076 [kgl]
Densidad solido (a los 25degC)
070 [kgl]
Conductividad teacutermica
(Ambas fases)
02 [W(mK)]
Expansioacuten de Volumen
125
Maacutexima temperatura operacioacuten
50 degC
Ciclo Cambio fase
5000 -
Fuente (Rubitherm 2020)
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
362 Configuracioacuten del PCM en EnergyPlus
De acuerdo al estudio bibliograacutefico de los materiales cambio fase para
ingresar los datos al software se debe definir las cantidades de temperatura de
operacioacuten identificar el punto de fusioacuten en las graacuteficas de entalpia y temperatura
de la tabla 33 conductividad teacutermica calor especifico densidades y espesor en
el elemento constructivo con el fin de determinar el flujo de calor de operacioacuten
de acuerdo al balance termodinaacutemico de la ecuacioacuten (2) A continuacioacuten se
adjunta a modo de ejemplo la figura 39 en la cual se puede ver el menuacute de
configuracioacuten
Figura 39 Configuracioacuten del PCM en el software
Fuente Elaboracioacuten Propia
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
363 Cotizacioacuten PCM RT21
La inversioacuten total del material cambio fase es de $1106679
correspondiente a 160 kg con transporte incluido Se observa que el costo de
transporte afecta considerablemente en su valor (Alemania)
Se realizoacute cotizacioacuten del material RT21 en la empresa alemana Rubitherm
se presenta en la figura 310
Figura 310 Cotizacioacuten del material RT21
Fuente (Rubitherm 2020)
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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37 Caracterizacioacuten Macro encapsulacioacuten
En esta seccioacuten la placa de macro encapsulacioacuten utilizada para el PCM
es de materialidad de aluminio veacutease figura 311 esto aumenta la transferencia
de calor en los PCM Son dos placas que estaacuten unidas entre siacute Se unen en dos
puntos centrados y se pegan en sus marcos Pueden ser utilizados para PCM
(orgaacutenico - inorgaacutenico) Por lo tanto se puede ofrecer un rango de temperatura
para una variedad de aplicaciones El grosor depende del volumen de llenado y
por lo tanto de la capacidad de almacenamiento Para el estudio se seleccionoacute
el modelo CSM105 Rubitherm el cual su espesor es de 15 mm y puede
almacenar 2 Kg de PCM por placa
Figura 311 Modulo Almacenamiento Macro encapsulacioacuten de aluminio
Fuente (Rubitherm 2020)
371 Cotizacioacuten Macro encapsulacioacuten
La inversioacuten total de la Macro encapsulacioacuten de aluminio modelo CSM105
Rubitherm es de $ 4326306 correspondiente a 150 unidades con transporte
incluido Se observa que el costo de transporte afecta considerablemente en su
valor (Alemania) Se realizoacute cotizacioacuten de los elementos de Macro encapsulacioacuten
de aluminio modelo CSM105 Rubitherm se presenta en la figura 312
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
Figura 312 Cotizacioacuten Macro encapsulacioacuten
Fuente (Rubitherm 2020)
38 Validacioacuten muro constructivo con PCM
De acuerdo a los estudios del estado de arte y conocimientos teacutecnicos se
validoacute el sistema constructivo propuesto del muro exterior en el cumplimiento de
resistencia al fuego de acuerdo al cataacutelogo de soluciones constructivas del
MINVU y de la Ordenanza General de Urbanismo y Construcciones (OGUC)
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
381 Cumplimiento de la OGUC y Resistencia al fuego
Dentro de las exigencias a cumplir por la OGUC se tiene la resistencia
al fuego en elementos constructivos seguacuten el tipo de recinto Para el caso del
muro de la vivienda en estudio se hace el siguiente anaacutelisis
De la tabla Ndeg34 seguacuten ldquodestino del edificiordquo ldquosuperficie edificada (m2)rdquo y
ldquonuacutemero de pisosrdquo se obtiene una clasificacioacuten (a b c y d) seguacuten corresponda
En el caso de estudio se tiene una vivienda de 1 piso por lo que el destino
es ldquoHabitacionalrdquo y por nuacutemero de pisos se establece una clasificacioacuten ldquodrdquo
Tabla 34 Clasificacioacuten de los edificios seguacuten su destino superficie edificada y
nuacutemero de pisos Destino del Edificio Superficie Edificada (m2) Nuacutemeros de Pisos
1 2 3 4 5 6 7 o mas
Habitacional Cualquiera d d c c b a a
Hoteles Sobre 5000 c b a a a a a
Sobre 1500 y hasta 5000 c b b b a a a
Sobre 500 y hasta 1500 c c b b a a a
Hasta 500 d c b b a a a
Oficinas Sobre 1500 c c b b b a a
Sobre 500 y hasta 1500 c c c b b b a
Hasta 500 d c c b b b a
Museos Sobre 1500 c c b b b a a
Sobre 500 y hasta 1500 c c c b b b a
Hasta 500 d c c b b b a
Clinica Hospitales y Lab Sobre 1000 c b b a a a a
Hasta 1000 c c b b a a a
Policlinicos Sobre 400 c c b b b b a
Hasta 400 d c c b b b a
Restaurante Sobre 500 b a a a a a a
Sobre 250 y hasta 500 c b b a a a a
Hasta 250 d c c b b a a
Locales Comerciales Sobre 500 c b b a a a a
Sobre 200 y hasta 500 c c b b a a
Hasta 200 d c b b b a a
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Bibliotecas Sobre 1500 b b a a a a a
Sobre 500 y hasta 1500 b b b a a a a
Sobre 250 y hasta 500 c b b b a a a
Hasta 250 d c b b a a a
Automotoras Cualquiera d c c b b b a
Edificio Estacionamiento Cualquiera d c c c b b a
Fuente (MINVU Soluciones constructivas acreditadas al fuego teacutermico y
acuacutestico 2020)
Para lograr obtener la resistencia al fuego necesaria se debe utilizar
ademaacutes la tabla 34 la cual utilizo como criterios la clasificacioacuten obtenida de la
tabla 35 y el tipo de elemento constructivo
Tabla 35 Resistencia al fuego para diferentes elementos de construccioacuten Elementos de Construccioacuten
Tipo (1) (2) (3) (4) (5) (6) (7) (8) (9)
A F-180 F-120 F-120 F-120 F-120 F-30 F-60 F-120 F-60
B F-150 F-120 F-90 F-90 F-90 F-15 F-30 F-90 F-60
C F-120 F-90 F-60 F-60 F-60 - F-15 F-60 F-30
D F-120 F-60 F-60 F-60 F-30 - - F-30 F-15
Fuente (MINVU Soluciones constructivas acreditadas al fuego teacutermico y
acuacutestico 2020) Simbologiacutea
Elementos verticales
(1) Muros cortafuego
(2) Muros zona vertical de seguridad y caja de escalera
(3) Muros caja de ascensores
(4) Muros divisorios entre unidades (hasta la cubierta)
(5) Elementos soportantes verticales
(6) Muros no soportantes y tabiques
Elementos verticales y horizontales
(7) Escaleras
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
Elementos Horizontales
(8) Elementos soportantes horizontales
(9) Techumbre incluido cielo falso
Para el caso de los muros que dan al exterior de la vivienda en estudio se
considera en la categoriacutea (5) y seguacuten la clasificacioacuten obtenida de la tabla 35 (d)
se tiene un grado de resistencia al fuego F-30
Para cumplir con esta exigencia se utiliza una solucioacuten del cataacutelogo de
soluciones constructivas del MINVU la cual se presenta a continuacioacuten
Tabla 36 Tabique perimetral estructura madera en vivienda en estudio
A233014 Tabique Estructura Madera Volcanita 15 mm RF Placa
OSB 9 mm Siding Volcan 6 mm Aislanglas R122 50 mm
Elemento estaacute formado por una estructura de madera hecha con listones de pino
radiata de 2rdquo x 3rdquo en bruto Consta de 5 pie-derechos distanciados entre ejes
cada 06 m dos cadenetas distanciadas entre ejes cada 08 m una solera inferior
y otra superior Esta estructuracioacuten esta forrada por una de sus caras con una
plancha de yeso-cartoacuten ldquoVolcanita RFrdquo de 15 mm de espesor La otra cara esta
forrada con una placa de madera OSB de 9 mm de espesor y como terminacioacuten
en esta cara lleva unas fajas horizontales de fibrocemento ldquoSiding Volcanrdquo tipo
tinglado de 190 mm de ancho y 6 mm de espesor Todo el conjunto esta
atornillado a la estructura de madera Esta conformacioacuten deja espacios libres en
el interior del panel estaacuten rellenos con una manta de lana de vidrio tipo rollo libre
R122 de 50 mm de espesor de densidad media aparente de 14 kgm3 Las
dimensiones para el ensayo fue 22 de ancho x 24 de alto y 105 mm de espesor
INSTITUCION Ndeg Informe Lab Fecha Resistencia Inscripcioacuten
Volcaacuten SA 374721 IDIEM 26-06-96 F-30 2015
Fuente (MINVU Soluciones constructivas acreditadas al fuego teacutermico y
acuacutestico 2020)
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
Otra de las exigencias por parte de la OGUC es el cumplimiento de la
reglamentacioacuten teacutermica mostrado en la tabla 32 para esto se compara las
transmitancias teacutermicas exigidas con las envolventes de los elementos
constructivos de la vivienda en estudio Para el caso del muro donde se
incorporaraacute el PCM se seleccionoacute de acuerdo al listado de soluciones
constructivas del MINVU para validar la resistencia al fuego En la figura 313 se
visualiza las componentes de la envolvente del muro con PCM
Figura 313 Sistema Constructivo Muro exterior con PCM en vivienda estudio
Fuente Elaboracioacuten Propia
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
CAPITULO IV RESULTADOS Y DISCUSIOacuteN
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
En este segmento se evaluoacute el comportamiento energeacutetico de los
materiales cambio fase mediante el software Energy Plus Los materiales cambio
fase se produce dentro de placas de macro encapsulacioacuten de aluminio al interior
de los muros exteriores
Por lo tanto se observoacute el aporte energeacutetico de los materiales cambio fase
en un sistema activo de calefaccioacuten optimizando los sistemas constructivos en
la vivienda en estudio y dar respuesta a su aplicacioacuten en acondicionamiento
ambiental
41 Comportamiento Energeacuteticos de los materiales cambio fase
A continuacioacuten se comparoacute el comportamiento energeacutetico de dos sistemas
de climatizacioacuten con el aporte energeacutetico pasivo de los distintos materiales
cambio fase en una vivienda en estudio
411 Rendimiento energeacutetico de calefaccioacuten con y sin PCM
Para evaluar el comportamiento energeacutetico se definioacute la temperatura de
fusioacuten de los PCM en el rango de 18 a 22degC el aporte energeacutetico de los PCM
ayudo a mantener constante la temperatura confort de 21degC en la vivienda y
reducir los consumos energeacuteticos del sistema activo para este estudio se
escogioacute dos sistemas de climatizacioacuten caso 1 calefaccioacuten a lentildea con un η=07 y
caso 2 Climatizacioacuten por bomba de calor η=27 esta seleccioacuten se debe a que el
sistema de calefaccioacuten a lentildea es el maacutes usado en la zona genera una alta
contaminacioacuten ambiental por su combustioacuten en material particulado es el
combustible maacutes econoacutemico por unidad de energiacutea y su inversioacuten es accesible
en cambio los equipos de bomba calor tienen un mayor rendimiento energeacutetico
tiene menos impacto al medio ambiente y su inversioacuten es costosa
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
La figura 41 (a) muestra las potencias maacuteximas de disentildeo en
climatizacioacuten comparando la liacutenea base con la implementacioacuten de materiales
PCM en vivienda en estudio ubicado en Concepcioacuten Chile A traveacutes de este
anaacutelisis se identificoacute una disminucioacuten en su potencia de disentildeo de 319 (de
263 kW a un 179 kW) con respecto al caso base
Figura 41 (a) Potencia maacutexima disentildeo con y sin PCM en vivienda estudio
Fuente Elaboracioacuten Propia
En la figura 41 (b) y (c) se realizoacute la comparacioacuten de distintos tipos de
materiales PCM con un rango de temperatura de fusioacuten entre 18 degC a 22degC para
determinar cuaacutel es maacutes eficiente en funcioacuten de las variables de disentildeo
emplazamientos y propiedades teacutermicas
Para el primer caso se evaluoacute el sistema de calefaccioacuten a lentildea y el rol
clave de estos materiales PCM es reducir el consumo energeacutetico y el kgCO2
generado por la combustioacuten En los resultados se visualizoacute que el material cambio
fase optimo corresponde al PCM 22HC arrojando una reduccioacuten del consumo
energeacutetico de 341 (de 3694 kWh a un 2434 kWh) en comparacioacuten al caso base
CocinaDormitorioSecundario
DormitorioPrimario
Living-Comedor
Bantildeo
Sin PCM 03 037 047 129 02
Con PCM 017 027 033 087 015
0
02
04
06
08
1
12
14
Dem
ada
En
erge
tica
(k
W)
Potencia Maxima de Disentildeo
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
Para el segundo caso se evaluoacute un sistema de bomba de calor multisplit
al igual que en el caso anterior el material optimo corresponde al PCM 22HC se
observoacute una disminucioacuten de consumo energeacutetico de un 344 (de 688 kWh a un
451 kWh) en comparacioacuten al caso base
Para ambos casos se observoacute una notable reduccioacuten de los consumos
energeacuteticos en estacioacuten friacutea
Figura 41 (b) Caso 1 - Consumo energeacutetico en calefaccioacuten Lentildea con y sin
PCM en vivienda estudio
Fuente Elaboracioacuten Propia
Ene Feb Mar Abr May Jun Jul Ago Sept Oct Nov Dic
Sin PCM 75 79 138 267 477 604 626 498 408 271 147 104
PCM 18 37 34 73 188 424 579 602 440 347 185 85 60
PCM 21 31 27 64 167 397 547 570 405 313 161 71 53
PCM 22 13 11 39 138 354 506 528 357 275 130 49 34
0
200
400
600
800
1000
Co
nsu
mo
Co
mb
ust
ible
(k
Wh
)
Consumo Combustible Lentildea Mensual
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
Figura 41 (c) Caso 2 - Consumo energeacutetico Bomba de calor con y sin PCM en
vivienda estudio
Fuente Elaboracioacuten Propia
Se identificoacute que la temperatura de fusioacuten maacutes baja de los PCM no es
viable en la optimizacioacuten del sistema pasivo en climatizacioacuten podriacutea ser explicado
por las variables temperatura exteriores dependiendo de las condiciones
climaacuteticas por su emplazamiento Por ejemplo de acuerdo con las cargas
maacuteximas de calefaccioacuten se debe a que la energiacutea en invierno aumento
estableciendo las temperaturas de confort teacutermico esta es una variable de
seleccioacuten del PCM que serviraacute para optimizar el disentildeo en funcioacuten del confort
teacutermico disminuyendo demanda energeacutetica perdidas caloriacuteficas y consumos
energeacuteticos de sistemas de calefaccioacuten activos
Seguacuten el estado de arte otro punto importante a comentar es tener en
cuenta que las curvas de entalpia y temperatura tanto para refrigeracioacuten y
calefaccioacuten deben ser lo maacutes cercana posible de lo contrario se produciriacutea una
Ene Feb Mar Abr May Jun Jul Ago Sept Oct Nov Dic
Sin PCM 14 15 26 50 89 112 116 92 78 50 27 19
PCM 18 7 6 14 35 79 107 112 82 64 34 16 11
PCM 21 57 5 12 31 74 101 106 75 58 30 13 10
PCM 22 23 2 72 256 66 936 976 662 511 24 9 63
0
20
40
60
80
100
120
Co
nsu
mo
Co
mb
ust
ible
(k
Wh
)Consumo Combustible Bomba de calor Mensual
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
histeacuteresis o sub enfriamiento y afectariacutea considerablemente el rendimiento del
PCM en su aplicacioacuten
Para la implementacioacuten de sistemas activos sustentables en climatizacioacuten
se demuestra en el estudio que el aporte energeacutetico de los PCM es mantener la
temperatura constante dentro de los espacios interiores y ayudan tambieacuten a bajar
considerablemente los consumos energeacuteticos y es un aporte al medio ambiente
Para sistemas pasivos la eficiencia en los PCM en los muros exteriores
podriacutea incrementarse sugiriendo que haya acristalamiento a base de muros
cortina durante el diacutea lleva al PCM al proceso de cambio de fase de manera
estable en el tiempo debido a su almacenamiento teacutermico (F Ascione RF De
Masi F de Rossi S Ruggiero amp GP Vanoli 2016)
Ademaacutes la disminucioacuten de un 319 en potencia maacutexima de disentildeo para
equipos de climatizacioacuten arrojado en este estudio y un promedio de 33 en
reduccioacuten en consumo energeacutetico en los dos casos de climatizacioacuten propuestos
se puede inferir que los materiales cambio fase es capaz de contribuir a eficiencia
energeacutetica
412 Inversioacuten inicial y costos operativos en sistemas de calefaccioacuten con y sin PCM
Se hizo un anaacutelisis de los principales costos asociados a la adquisicioacuten de
los equipos y operacioacuten de eacutestos No se consideraraacute valor residual o de
salvamiento Para poder comparar la vida uacutetil a usar seraacute de 10 antildeos
Al obtener los valores de consumos energeacuteticos en las simulaciones de
los casos propuestos se visualiza una aproximacioacuten en demostrar el beneficio
econoacutemico que aporta los PCM a los sistemas activos Vease en figura 42
En el caso 1 sistema de calefaccioacuten a lentildea se observoacute una disminucioacuten
en los costos de operacioacuten anual de un 341 (de $88656 a un $58416)
($ 24 por kWh) (BES 2017) y en el caso 2 sistema de climatizacioacuten por bomba
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
68
Diego Sarabia Meacutendez
calor se observoacute una disminucioacuten en los costos de operacioacuten anual de un 344
(de $72928 a un $47795) ($ 106 por kWh) (BES 2017)
Figura 42 Inversioacuten inicial y costos operativos sistema climatizacioacuten con y sin
PCM en vivienda estudio
Fuente Elaboracioacuten Propia
42 Propuesta de aplicacioacuten PCM a caso base como sistema de actualizacioacuten
Seguacuten los resultados del comportamiento energeacutetico de la vivienda en
estudio con y sin PCM Se identificoacute un enfoque diferente e innovador para
sistemas pasivos de acondicionamiento ambiental o el aporte energeacutetico
significativo de los PCM a los sistemas activos para mantener su temperatura
constante en su operacioacuten
Una correcta ubicacioacuten del PCM a los muros exteriores de una vivienda en
estudio mostro significativamente un ahorro de energiacutea con respecto al caso
base esto se debe a la colocacioacuten del PCM en la particioacuten interna en los muros
exteriores emplazamiento de la vivienda tipo de encapsulacioacuten y orientacioacuten de
los muros con respecto al sol
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
Sin PCM PCM 22HC Inversion
Mil
es d
e p
eso
sInversion inicial y costos operativos en sistema
climatizacion
Caso 1 Sistema Calefaccion Lentildea Caso 2 Sistemas Bomba de Calor
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
El tipo de encapsulacioacuten de acuerdo al panel constructivo mostro que debe
ser macro encapsulacioacuten con materialidad de aluminio para aumentar la
conductividad teacutermica de los materiales cambio fase que era una de sus
desventajas teacutecnicas
A traveacutes de este anaacutelisis se identificoacute que material de cambio de fase se
debe seleccionar de acuerdo a la aplicacioacuten pasiva en vivienda en estudio
considerando variables de seleccioacuten como cineacuteticas fiacutesicas quiacutemicas teacutermicas
y econoacutemicas
Finalmente se observoacute que es posible maximizar la eficiencia de la
energiacutea en mantener la temperatura constante en los espacios interiores con el
aporte energeacutetico de los sistemas pasivos cuando se usa materiales cambio fase
en los muros exteriores de la vivienda en estudio Ademaacutes el PCM con
temperatura de fusioacuten cercana a la temperatura confort logra un mayor
rendimiento energeacutetico seguacuten su emplazamiento y reduce considerablemente los
costos de operacioacuten de un sistema climatizacioacuten activo aportaacutendole energiacutea
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
CONCLUSIONES
El trabajo reciente propone un anaacutelisis de optimizacioacuten del PCM a una
vivienda en estudio como una aplicacioacuten de actualizacioacuten a sistemas pasivos y
se evaluoacute el comportamiento energeacutetico de dos sistemas activos de climatizacioacuten
mediante el uso del software EnergyPlus
En este estudio se describe la seleccioacuten de materiales de cambio fase a
utilizar la encapsulacioacuten adecuada en base a la aplicacioacuten y propiedades de
disentildeo
En el anaacutelisis del comportamiento energeacutetico de la vivienda en estudio se
observoacute que el PCM adecuado seguacuten la temperatura de fusioacuten estaacute en el rango
de 18 a 22 degC cercano a la temperatura de confort teacutermico Para este estudio se
escogioacute el PCM 22HC ya que su comportamiento es ideal para la vivienda en
estudio arrojando un 319 (de 263 kW a un 179 kW) de reduccioacuten de
potencias maacuteximas de disentildeo en climatizacioacuten De acuerdo al PCM escogido se
analizoacute el comportamiento del consumo energeacutetico en dos sistemas de
climatizacioacuten Caso 1 Sistema calefaccioacuten a lentildea mostro una reduccioacuten del
consumo energeacutetico de 341 (de 3694 kWh a un 2434 kWh) Para el segundo
caso se evaluoacute un sistema de bomba de calor multisplit al igual que en el caso
anterior el material optimo corresponde al PCM 22HC se observa una
disminucioacuten de consumo energeacutetico de un 344 (de 688 kWh a un 451 kWh) en
comparacioacuten al caso base lo que implica una notable reduccioacuten de los consumos
energeacuteticos en la estacioacuten friacutea Ademaacutes junto con los valores de consumo
energeacutetico se evaluoacute los costos de operacioacuten anual arrojando una disminucioacuten
promedio de 34 debido al aporte de los PCM
En general estos resultados sostienen firmemente que es posible mejorar
la eficiencia del ahorro energeacutetico cuando los PCM se instala en los muros
exteriores maximizando los ahorros energeacuteticos Por lo tanto para lograr la
optimizacioacuten de la envolvente de la vivienda con aplicacioacuten PCM la temperatura
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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de fusioacuten fue de 22 deg C y el macro encapsulamiento es de material de aluminio
mejorando su transmitancia teacutermica del flujo de calor en los paneles
constructivos dando como resultado una adecuada actualizacioacuten a la aplicacioacuten
y a la instalacioacuten de los PCM a la vivienda en estudio ubicada en Concepcioacuten
Chile
Los costos de implementacioacuten en la tecnologiacutea pasiva como los PCM tiene
un elevado valor debido al costo del transporte (Alemania) se podriacutea justificar
encargando por mayor estos insumos y aplicarlo a un lote de viviendas
Es importante aplicar el PCM optimizado considerando el enfoque y
variables de disentildeo como la condicioacuten climaacutetica temperatura de fusioacuten de PCM
encapsulamiento y irradiacioacuten solar
La implementacioacuten de esta tecnologiacutea demuestra que aporta en la
reduccioacuten de material particulado en zonas criacuteticas en contaminacioacuten y las
emisiones de CO2 aportando al medio ambiente
Se deberaacute tener en cuenta que las curvas de entalpia y temperatura de los
PCM tanto para refrigeracioacuten y calefaccioacuten deben ser lo maacutes cercana posible de
lo contrario se produciriacutea una histeacuteresis o subenfriamiento y afectariacutea
considerablemente el rendimiento del PCM en su aplicacioacuten
Como investigacioacuten adicional queda por explorar la optimizacioacuten de PCM
aplicado a paredes exteriores con persianas de acristalamiento o invernaderos
adosados al poseer mayor captacioacuten de energiacutea solar tendraacute un mayor
almacenamiento energeacutetico y retraso teacutermico en los muros aplicado con PCM y
obtener una segmentacioacuten de los datos climaacuteticos por zonas para investigar el
comportamiento energeacutetico en aplicaciones pasivas
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
INDICE DE FIGURAS
Figura 21 Diagrama de proceso de cambio de fase Hielo ndash Vapor 23
Figura 22 Clasificacioacuten de los Materiales Cambio Fase 26
Figura 23 Estabilizacioacuten de la temperatura interior de un edificio por el efecto
de la inercia teacutermica 36
Figura 24 Espesor requerido de distintos materiales Vs Energiacutea termina 36
Figura 25 Microcaacutepsulas 38
Figura 26 Caacutepsulas de macro PCM (Contenedor plano Esfera Placas de
barra doble) 40
Figura 31 Descripcioacuten Vivienda en estudio 44
Figura 32 Modelo de zona en casa de estudio 46
Figura 33 Zona y sub-superficie de vivienda en estudio 47
Figura 34 Configuracioacuten datos meteoroloacutegico 48
Figura 35 Planilla de uso horario de un recinto 49
Figura 36 Planilla configuracioacuten envolvente por elemento 50
Figura 37 Planilla configuracioacuten rango de temperatura confort teacutermico 51
Figura 38 Planilla configuracioacuten del tipo de sistema de climatizacioacuten 51
Figura 39 Configuracioacuten del PCM en el software 54
Figura 310 Cotizacioacuten del material RT21 55
Figura 311 Modulo Almacenamiento Macro encapsulacioacuten 56
Figura 312 Cotizacioacuten Macro encapsulacioacuten 57
Figura 313 Sistema Constructivo Muro exterior con PCM en vivienda estudio
61
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Diego Sarabia Meacutendez
Figura 41 (a) Potencia maacutexima disentildeo con y sin PCM en vivienda estudio 64
Figura 41 (b) Caso 1 - Consumo energeacutetico en calefaccioacuten Lentildea con y sin
PCM en vivienda estudio 65
Figura 41 (c) Caso 2 - Consumo energeacutetico Bomba de calor con y sin PCM
en vivienda estudio 66
Figura 42 Inversioacuten inicial y costos operativos sistema climatizacioacuten con y sin
PCM en vivienda estudio 68
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
INDICE DE TABLAS
Tabla 21 Ventajas e inconvenientes de los PCM inorgaacutenicos 28
Tabla 22 Temperatura de fusioacuten de algunas sales hidratadas 29
Tabla 23 Ventajas e inconvenientes de los PCM orgaacutenicos 30
Tabla 24 Temperatura de fusioacuten de algunas parafinas 31
Tabla 25 Temperatura de fusioacuten de algunos aacutecidos grasos 32
Tabla 26 Clasificacioacuten de los PCMs 32
Tabla 27 Ventajas e inconvenientes de las microcapsulas 38
Tabla 28 Ventajas e inconvenientes de las Macrocaacutepsulas 39
Tabla 31 Resumen superficies de los distintos espacios vivienda en estudio
44
Tabla 32 Cumplimiento de la envolvente elementos constructivos de la
vivienda en estudio 44
Tabla 33 Especificaciones teacutecnicas de PCM a utilizar 52
Tabla 34 Clasificacioacuten de los edificios seguacuten su destino superficie edificada y
nuacutemero de pisos 58
Tabla 35 Resistencia al fuego para diferentes elementos de construccioacuten 59
Tabla 36 Tabique perimetral estructura madera en vivienda en estudio 60
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INTRODUCCION
Debido al avance de la ciencia y la tecnologiacutea la calidad de vida y los
sistemas de produccioacuten en la industria han mejorado lo que ha aumentado el
consumo mundial de energiacutea en paiacuteses industrializados y las economiacuteas
emergentes Este aumento en el consumo de energiacutea tiene efectos nocivos sobre
el medio ambiente como el aumento de las emisiones de gases a la atmoacutesfera
entre otros Por lo tanto los paiacuteses estaacuten promoviendo cada vez maacutes nuevas
poliacuteticas energeacuteticas y promoviendo dos tipos de acciones para reducir las
emisiones entre otras aumentar la proporcioacuten de energiacutea renovable y promover
medidas de ahorro y eficiencia energeacutetica Debido a las crecientes
preocupaciones sobre el consumo de energiacutea se necesita urgentemente maacutes
investigacioacuten
Entre las medidas de eficiencia energeacutetica surge la necesidad de estudiar
el uso de energiacutea solar a traveacutes de la aplicacioacuten de materiales de cambio de fase
(PCM seguacuten sus siglas en ingleacutes Phase Change Materials) Estudios recientes
sobre materiales de cambio de fase han demostrado que hay varios aspectos
para mejorar en la aplicacioacuten y caracterizacioacuten de estos materiales (Anisur
2013)
Actualmente el sector de la construccioacuten contribuye considerablemente al
consumo total de energiacutea y las emisiones de gases de efecto invernadero a la
atmoacutesfera Los edificios consumen maacutes del 40 de la energiacutea primaria del
mundo que es responsable del 30 de las emisiones de gases de efecto
invernadero (Thorpe 2011)
A nivel local el sector residencial es responsable de las altas demandas
energeacuteticas equivalente a 23 del consumo energeacutetico nivel paiacutes Del parque
habitacional existente en Chile 75 fue construido sin consideraciones teacutermicas
y de eficiencia energeacutetica dicha situacioacuten provoca que el usuario asuma el costo
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
del consumo energeacutetico en calefaccioacuten y refrigeracioacuten para mantener la vivienda
en zona confort (Wegertseder 2015)
Tradicionalmente el consumo de energiacutea se reduce mediante el uso de
aislamiento teacutermico de alta calidad en la envolvente de un edificio para reducir la
transferencia de calor entre el interior y exterior (Zhou D Tian Y Qu Y amp
Chen Y K 2016) Un aumento en la eficiencia de los sistemas de calefaccioacuten
ventilacioacuten y aire acondicionado (HVAC) tambieacuten ha sido responsable de una
reduccioacuten en el consumo de energiacutea sin embargo las mejoras en la eficiencia
energeacutetica no deben limitarse a estos enfoques
Un estudio de investigacioacuten describioacute que el aumento de la inercia teacutermica
del edificio reduce la cantidad de energiacutea utilizada para calefaccioacuten y refrigeracioacuten
(Ling H Chen C Qin H Wei S Lin J Li N) ya que reduce las
fluctuaciones en la temperatura interior ayudando a mantener el espacio interno
dentro del rango de confort teacutermico y reduciendo la necesidad de utilizar sistemas
de aire acondicionado
El almacenamiento de energiacutea se puede implementar mediante calor
sensible aumentando y disminuyendo la temperatura de los recubrimientos de
edificios o mediante calor latente Con la inclusioacuten de materiales de cambio de
fase conduce a una mayor densidad de energiacutea teacutermica Los materiales de
cambio de fase estaacuten asociados con el almacenamiento de calor latente (LHS)
con su principal ventaja de tener una alta densidad de almacenamiento a
temperatura constante Por lo tanto los materiales de cambio de fase han
demostrado que su almacenamiento de energiacutea teacutermica latente se puede utilizar
para calentar y enfriar a sistemas de construccioacuten pasivos o activos (B Zalba J
Marin L Cabeza y H Mehling 2003)
Investigaciones maacutes recientes han estudiado sus propiedades fiacutesicas
quiacutemicas cineacuteticas y especialmente teacutermicas para seleccionar el material de
cambio de fase maacutes adecuado para la presente investigacioacuten (Ramiacuterez A
Santos A amp Gonzaacutelez N 2012)
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
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Diego Sarabia Meacutendez
El intereacutes sostenido en comprender la importancia de los materiales de
cambio fase llevoacute a investigar el disentildeo del elemento constructivo con los PCM
incorporados para reducir la demanda energeacutetica de la vivienda en estudio y
contribuir a mejoras de condiciones de habitualidad Aquiacute se utilizoacute la
herramienta simulacioacuten Energy Plus para evaluar el rendimiento teacutermico de una
vivienda en estudio ubicada en la ciudad de Concepcioacuten de la regioacuten del Biacuteo-Biacuteo
Chile
En este estudio se demostroacute que es posible maximizar la eficiencia del
ahorro de energiacutea en sistemas activos de climatizacioacuten al optimizar el PCM
aplicado a las paredes exteriores Se identificoacute que los materiales de cambio de
fase son una contribucioacuten a la implementacioacuten del acondicionamiento pasivo
debido a su gran almacenamiento energeacutetico
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
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CAPITULO I ENUNCIADO DE LA INVESTIGACIOacuteN
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11 Planteamiento del problema
En la actualidad las necesidades energeacuteticas a nivel mundial han
aumentado de manera significativa por distintas razones Hoy en diacutea los edificios
consumen maacutes del 40 de la energiacutea primaria del mundo que son responsables
del 30 de las emisiones de gases de efecto invernadero (Thorpe 2011)
A nivel local el sector residencial es responsable de las altas demandas
energeacuteticas equivalente a 23 del consumo energeacutetico nivel paiacutes Del parque
habitacional existente en Chile 75 fue construido sin consideraciones teacutermicas
y de eficiencia energeacutetica dicha situacioacuten provoca que el usuario asuma el costo
del consumo energeacutetico para mantener la vivienda en zona confort (Wegertseder
2015)
Se estima que el sector de la construccioacuten es el responsable de generar
el 33 del total de emisiones de gases de efecto invernadero (MINVU 2018)
A traveacutes de un estudio realizado el antildeo 2019 por la Caacutemara Chilena de
la Construccioacuten sobre los usos de la energiacutea en el sector residencial declara que
el 53 del consumo total de la vivienda chilena es destinado a calefaccioacuten (CDT
2019)
Una forma eficiente de reducir el consumo de energiacutea para calefaccioacuten o
refrigeracioacuten en los espacios es aumentar la inercia teacutermica de un edificio De
esta manera las temperaturas interiores son menos sensibles a las variaciones
de la temperatura exterior y se requiere menos energiacutea para mantenerlas en el
rango de confort teacutermico Un edificio con una estructura de marco de concreto
tendraacute una mayor inercia teacutermica que un edificio con una estructura de marco de
acero o madera (Soares N Costa J J Gaspar A R amp Santos P 2013) Una
forma de aumentar la inercia teacutermica de un edificio es utilizar el almacenamiento
de calor latente (LHS) que es la energiacutea que almacena un material cuando sufre
un cambio de fase (Akeiber H Nejat P Majid M Z A Wahid M A
Jomehzadeh F Zeynali Famileh IZaki S A 2016)
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
El material de cambio de fase (PCM) es un tipo de material que
experimenta un cambio de fase en este caso de liacutequido a soacutelido a una
temperatura dentro del rango de confort teacutermico Este tipo de material tiene la
capacidad de almacenar grandes cantidades de energiacutea en comparacioacuten con los
materiales de construccioacuten tradicionales que solo almacenan calor sensible Por
ejemplo una pared que contiene PCM con 25 mm de espesor almacena
aproximadamente la misma energiacutea que una pared de concreto con 420 mm de
espesor (Al-Saadi S N amp Zhai Z 2013) Los PCM tienen un gran potencial
para aumentar la inercia teacutermica de un edificio debido a su gran LHS por lo tanto
son especialmente uacutetiles en edificios de construccioacuten livianas en seco como
estructuras reticulares en madera o acero galvanizados (Marin P Saffari M de
Gracia A Zhu X Farid M M Cabeza L F amp Ushak S 2016) Esto permite
que el edificio tenga menor peso un aacuterea uacutetil mayor y auacuten mantenga una alta
inercia teacutermica
Cuando los PCM cambian su estado de liacutequido a soacutelido liberan calor
latente y cuando cambian de soacutelido a liacutequido absorben calor latente Cuando este
proceso ocurre a una temperatura entre 19-27 degC el material contribuye a
aumentar el confort teacutermico porque ayuda a mantener la temperatura interna
dentro de este rango Durante el diacutea cuando hay demasiadas ganancias de
radiacioacuten solar este material cambia su fase de soacutelido a liacutequido absorbiendo
calor y evitando un aumento significativo de la temperatura interior Por la noche
cuando la temperatura exterior baja el material cambia su fase de liacutequido a
soacutelido liberando calor y evitando una gran disipacioacuten de energiacutea en el interior de
la vivienda (Jamil H Alam M Sanjayan J amp Wilson J 2017)
Durante el verano puede ocurrir un sobrecalentamiento en el muro y
hacer que se use un PCM que se derrita a altas temperaturas (alrededor de
26 degC) ya que evitaraacute que la temperatura de una habitacioacuten elevaacutendose por
encima del rango de confort teacutermico Si el objetivo es la estabilizacioacuten de la
temperatura interior en la zona de confort un PCM que se derrita a 23 degC deberiacutea
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
18
Diego Sarabia Meacutendez
ser la mejor opcioacuten En el invierno puede ser necesario evitar que la temperatura
de una habitacioacuten baje por debajo del rango de confort teacutermico y en este caso
se recomienda un PCM que solidifique alrededor de 21 degC (Soares N Gaspar
A R Santos P amp Costa J 2014)
Esta tecnologiacutea no solo tiene el potencial de ahorrar cantidades
considerables de energiacutea y emisiones de CO2 sino que tambieacuten se puede utilizar
para aprovechar los precios pico de electricidad utilizando las unidades de aire
acondicionado cuando hay una menor demanda en la red eleacutectrica Por ejemplo
en invierno la unidad de aire acondicionado (AC) podriacutea funcionar durante la
noche produciendo calor que seriacutea absorbido por el tablero PCM y luego liberado
por eacutel durante el diacutea cuando los precios de la electricidad son mucho maacutes altos
(Devaux P amp Farid M 2017) Esto tambieacuten como la ventaja de evitar el ruido y
las corrientes de aire causadas por las unidades de CA durante las horas de
trabajo de una oficina
Aunque esta tecnologiacutea tiene un gran potencial en almacenar energiacutea
con respecto a otros materiales existe el problema de la baja transferencia de
calor porque estos materiales generalmente tienen baja conductividad teacutermica lo
que hace que la absorcioacuten y liberacioacuten de calor por parte del PCM sea mucho
maacutes difiacutecil (Fan L amp Khodadadi J M 2011)
Para aprovechar la gran capacidad de almacenamiento de calor latente
la temperatura de una zona debe estar cerca de la temperatura de cambio de
fase de lo contrario un PCM solo almacena calor sensible que es insignificante
en comparacioacuten al calor latente (Chwieduk 2013)
Investigadores concluyen sobre acondicionamiento teacutermico en
envolventes de viviendas utilizando materiales de cambio de fase que la
implementacioacuten adecuada de los PCM en una edificacioacuten puede un 35 reducir
el consumo energeacutetico y por lo tanto es posible usar equipos de
acondicionamiento teacutermico de menor potencia e incluso prescindir de ellos (Bello
R E Muntildeoz M M Vasco C 2015)
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
En el desarrollo de aplicaciones para los PCM un investigador disentildeoacute un
muro con material de cambio de fase y para probar su funcionamiento utilizoacute dos
habitaciones ideacutenticas En la primera habitacioacuten los muros teniacutean un enlucido de
yeso normal y en la segunda habitacioacuten el muro poseiacutea una placa de yeso
revestido con micro encapsulacioacuten de PCM (50 butil estearato y 48 palmitato
de butilo) Resultoacute que la habitacioacuten con material cambio de fase una reduccioacuten
energeacutetica de 22 (Scalat S Banu D Hawes D Paris J Haghighata F
Feldman D 1996)
Los investigadores a nivel mundial han creado estrategias para
solucionar el consumo energeacutetico En Chile auacuten no se analiza en forma
sistemaacutetica considerando que seriacutea de gran ayuda para disminuir el consumo
energeacutetico residencial
Por todo lo anteriormente mencionado se establece que esta
investigacioacuten estaraacute orientada al estudio de materiales con cambio de fase
simulando su comportamiento teacutermico de una vivienda en estudio ubicada en la
ciudad de Concepcioacuten de la regioacuten del Biacuteo-Biacuteo utilizando el software Energy Plus
12 Preguntas de investigacioacuten
iquestEs posible disminuir la demanda energeacutetica de una vivienda en estudio
incorporando materiales con cambio de fase
iquestQueacute material PCM es conveniente utilizar en los muros de la vivienda en
estudio
iquestQueacute comportamiento tendraacuten los PCM en la simulacioacuten
13 Hipoacutetesis
Se puede mejorar la habitabilidad y reducir un 30 la demanda energeacutetica
de una vivienda en estudio en la ciudad de Concepcioacuten mejorando el
almacenamiento teacutermico de sus muros incorporando material con cambio de fase
(PCM)
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
20
Diego Sarabia Meacutendez
14 Objetivos
141 Objetivo general
Proponer una metodologiacutea de evaluacioacuten en funcioacuten de la realidad local
que permitiraacute analizar la potencialidad en aplicar los materiales cambio de fase
en las construcciones chilenas contribuyendo a mejorar las condiciones de
habitabilidad
142 Objetivos especiacuteficos
Identificar materiales con cambio de fase (PCM) utilizados como estrategia
de calefaccioacuten pasiva en edificacioacuten Con la validacioacuten de todos los
reglamentos en Chile
Definir el sistema constructivo del muro exterior en cuanto a la ubicacioacuten
del PCM
Definir materiales con cambio de fase en relacioacuten de sus propiedades
teacutermicas para realizar simulacioacuten energeacutetica
Definir metodologiacutea de caacutelculo y estimar ahorros energeacuteticos para la zona
en funcioacuten del material base
Obtener simulaciones de demanda energeacutetica para la vivienda en estudio
con y sin materiales de cambio de fase incorporados en sus muros
mediante el software Energy Plus
Optimizar el disentildeo de la solucioacuten constructiva con PCM en relacioacuten a los
datos de la zonificacioacuten
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
CAPITULO II MARCO TEOacuteRICO
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
22
Diego Sarabia Meacutendez
21 Marco Teoacuterico
A continuacioacuten se nombraraacute conceptos esenciales que aborda la
investigacioacuten tales como aislacioacuten teacutermica conductividad teacutermica confort
teacutermico y Inercia teacutermica
Cabe de destacar que la inercia teacutermica juega un papel importante en los
sistemas de calefaccioacuten pasiva ya que el retraso teacutermico puede ser mayor o
menor dependiendo el espesor y materialidad
La inercia teacutermica permite ir liberando el calor acumulado en los elementos
compuestos por materiales pesados en la vivienda de manera tal que durante
la noche cuando la temperatura desciende esta baja sea amortiguada por el calor
cedido
En el verano la envolvente se encuentra expuesta a la radiacioacuten solar y al
soleamiento por lo tanto debe ser capaz de almacenar el calor obtenido desde
el exterior y asiacute evitar que la temperatura en el interior del recinto sea elevada
durante el diacutea generando una peacuterdida de confort (CCHC 2010)
22 Materiales con cambio de fase (PCM)
Un PCM es una sustancia capaz de almacenar y liberar energiacutea del medio
que le rodea manteniendo la temperatura constante durante la transferencia de
calor Este intercambio de energiacutea se denomina calor latente de un material y se
produce durante el cambio de fase del mismo El intereacutes de estos materiales es
que durante el cambio de fase la temperatura media se mantiene constante
mientras el material absorbe o libera energiacutea durante la etapa de fusioacuten o
solidificacioacuten del material Esto supone una mayor densidad energeacutetica en este
proceso respecto a un intercambio por calor sensible
En una investigacioacuten sobre PCM afirma que estos mediante su calor
latente de fusioacuten almacenan de 5 a 14 veces maacutes calor por unidad de volumen
que materiales por almacenamiento de calor sensible como el agua albantildeileriacutea
o rocas entre otras (Sharma 2009)
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
Para la investigacioacuten se estudioacute materiales cambio fase de estado liacutequido-
solido ya que aunque la cantidad de energiacutea almacenada es inferior que entre
otros cambios de estado (solido-gas) la variacioacuten de volumen del estado es
menor
221 Funcionamiento
La mejor forma para explicar el funcionamiento de estos materiales es
estudiando el proceso de cambio de fase del agua en estado liacutequido el agua va
aumentando su temperatura progresivamente hasta alcanzar los 100degC Una vez
alcanza esta temperatura empieza su cambio de estado en el cual absorberaacute
calor pero mantendraacute una temperatura constante de 100degC hasta que finalice su
cambio de fase y todo el liacutequido se haya convertido en vapor De manera inversa
ocurre cuando la temperatura del agua disminuye hasta alcanzar los 0degC En este
caso el agua empezaraacute a liberar calor y durante este proceso mantendraacute su
temperatura constante en 0degC hasta que complete su solidificacioacuten y todo el
liacutequido se haya convertido en hielo (B Zalba J Marin L Cabeza y H Mehling
2003)
En la Figura 21 se observa coacutemo la temperatura se mantiene constante
en 0degC formando una recta horizontal durante su cambio de fase y posteriormente
en 100degC hasta que se convierte en vapor
Figura 21 Diagrama de proceso de cambio de fase Hielo ndash Vapor
Fuente (B Zalba J Marin L Cabeza y H Mehling 2003)
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
Del mismo modo actuacutean los PCM cada uno tiene su propia temperatura
de cambio de fase y gracias a las variaciones de temperatura entre el diacutea y la
noche ocurren los ciclos de fusioacuten y solidificacioacuten de estos materiales resultando
en la absorcioacuten maacutexima de energiacutea durante el diacutea cuando las temperaturas
suben y la disipacioacuten de eacutesta en la noche cuando la temperatura ambiente baja
La energiacutea utilizada para cambiar el estado del material dado que la temperatura
de cambio de fase es aproximada a la temperatura ambiente de confort deseada
daraacute lugar a un clima interior maacutes estable y coacutemodo asiacute como tambieacuten reduciraacute
las cargas de enfriamiento y calefaccioacuten en horas pico especialmente en
aquellas edificaciones con baja masa teacutermica (S E Kalnaes and B P Jelle
2015)
222 Propiedades
A continuacioacuten se describiraacuten las propiedades maacutes relevantes que definen un
material de cambio de fase (Oroacute 2012)
a) Propiedades Termofisica
Temperatura de fusioacuten (Tf) en el rango de funcionamiento seguacuten la
aplicacioacuten
Alto calor latente de fusioacuten (ΔHf) por unidad de volumen
Alto calor especiacutefico para proporcionar calor sensible adicional
significativo
Alta conductividad teacutermica en fase soacutelida y liacutequida (buena transferencia de
calor)
Baja variacioacuten de volumen en el cambio de fase y baja presioacuten de vapor a
la temperatura de funcionamiento
Fusioacuten congruente del material de cambio de fase con cada ciclo de
solidificacioacutenfusioacuten con el miacutenimo sub-enfriamiento
Cambio de fase ciclo continuo con termino de vida uacutetil
Alta densidad
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
b) Propiedades quiacutemicas
Ciclo de solidificacioacutenfusioacuten reversible y completo
Baja degradacioacuten despueacutes de un elevado nuacutemero de ciclos de
fusioacutensolidificacioacuten
No corrosivo para los materiales encapsulados
No toacutexico no inflamable y no explosivo
c) Econoacutemicas
Abundante y disponible
Rentable en relacioacuten al ahorro energeacutetico y costos del material
Faacutecil reciclaje y tratamiento quiacutemicos
223 Almacenamiento de energiacutea teacutermica
La necesidad de almacenamiento energeacutetico y de buscar formas de
acondicionamiento pasivo es lo que inspira a la investigacioacuten a centrarse en el
almacenamiento teacutermico Es fundamental para el desarrollo del paiacutes disminuir la
demanda energeacutetica sin sacrificar el confort (PRIEN 2002)
En esta seccioacuten de la investigacioacuten se daraacute a conocer las formas de
almacenamiento teacutermico existentes y dando eacutenfasis al almacenamiento
energeacutetico por calor latente donde pertenecen los materiales de cambio fase
(PCM)
El equilibrio termodinaacutemico de los PCM se debe principalmente a los
intercambios de calor con el entorno externo El tiempo para que el PCM alcance
el nuevo equilibrio termodinaacutemico es el tiempo necesario para que el calor sea
intercambiado con el espacio a climatizar Los paraacutemetros baacutesicos de los
materiales de cambio de fase incluyen seguacuten ecuacioacuten (1)
bull Capacidad caloriacutefica [J kg]
119876 = int 119862119901119904 119889119905 + 119862119898 + int 119862119901119897 119889119905 cong 119862119901119904(119879119898 minus 1198791) + 119862119898 + 1198792
119879119898
119879119898
1198791
119862119901119897(1198792 minus 1198791)
Ec 1
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
Donde 119862119901119904 o 119862119901119897 Calor especiacutefico soacutelido y liacutequido kJ(kg times K) 119862119898 Calor
de transformacioacuten de fase (fusioacuten) kJ(kg times K) Tm - temperatura de transicioacuten
de fase (fusioacuten) T1 T2 rango de temperatura de funcionamiento de operacioacuten
224 Clasificacioacuten
Actualmente existe un gran nuacutemero de materiales cambio fase que han
sido investigados debido a que poseen una temperatura y un alto calor latente
de fusioacuten dentro del rango operacional deseado sin embargo exceptuando por
esta caracteriacutestica la mayoriacutea de estos materiales no satisfacen los otros
criterios necesarios para un medio de almacenamiento adecuado (Sharma
2009)
Aquellos que siacute responden a estas prestaciones y se encuentran disponibles en
el mercado pueden ser clasificados en tres grandes grupos orgaacutenicos
inorgaacutenicos y euteacutecticos (V Tyagi amp D Buddhi 2007)
Figura 22 Clasificacioacuten de los Materiales Cambio Fase
Fuente Elaboracioacuten Propia
Materiales Cambio Fase
Organico
Parafina Acido Graso
Inorganico
Sal Hidratada
Metalico
Eutectico
Inorganico -Inorganico
Inorganico -Organico
Organico -Organico
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
Los materiales de cambio de fase liquido-solido maacutes comunes estaacuten en el
rango de temperaturas entre 20degC y 80 degC son las ceras de parafina sales
hidratadas mezclas euteacutecticas y aacutecidos grasos
Las ceras de parafina estaacuten disponibles en el mercado pero su calor
latente (hasta 200 kJkg) es solo la mitad del de las sales hidratadas
Las sales hidratadas son maacutes econoacutemicas que las ceras de parafina y
tambieacuten estaacuten disponibles en el mercado pero tienen algunas desventajas como
las bajas temperaturas de fusioacuten o la corrosioacuten en contacto con metales
En las mezclas euteacutecticas intervienen dos componentes con punto de
fusioacuten (solidificacioacuten) maacutes bajo que el que poseen los compuestos
individualmente Esto hace que la mezcla alcance el punto de congelacioacuten maacutes
bajo posible y ambos se solidifiquen a esa temperatura euteacutectica (Ramiacuterez A
Santos A amp Gonzaacutelez N 2012)
Los PCM tienen una significativa capacidad de almacenar calor por medio
del cambio de estado pero es necesario tener en cuenta los paraacutemetros de
disentildeo del problema y las ventajas y desventajas de los diferentes tipos de
materiales para determinar cuaacuteles son los maacutes apropiados de utilizar en la
construccioacuten dependiendo de sus diferentes caracteriacutesticas y maacutes importante
aun dependiendo de si su temperatura de cambio de fase se acerca a la
temperatura de confort
2241 PCM inorgaacutenicos sales hidratadas
Seguacuten varios investigadores estos materiales fueron muy estudiados en
las primeras etapas de investigacioacuten de PCM por su bajo costo y su capacidad
de almacenamiento de grandes cantidades de calor por unidad de volumen en
comparacioacuten con las sustancias orgaacutenicas que las convierten en candidatos
idoacuteneos para sus muacuteltiples aplicaciones en el aacutembito del almacenamiento de
energiacutea
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
La buacutesqueda de sustancias con temperatura de cambio de fase proacutexima a
la temperatura ambiente no ha encontrado buenos candidatos dentro de este
grupo y las investigaciones se han dirigido maacutes hacia las sustancias orgaacutenicas
Tabla 21 Ventajas e inconvenientes de los PCM inorgaacutenicos
Ventajas Inconvenientes
Econoacutemicos Problemas en el encapsulado y preparacioacuten
del material
Elevada densidad de
almacenamiento teacutermico
Para un uso prolongado necesita de aditivos
Elevada conductividad teacutermica Son susceptibles de sub enfriamiento
(Inestables)
Temperatura de cambio de fase
claramente definida
Debido a la inestabilidad teacutermica y histeacuteresis
se debe aplicar aditivos para evitar una fusioacuten
incongruente en su aplicacioacuten donde puede
reducir su capacidad de almacenamiento de
calor latente
No inflamables Potencialmente corrosivos con algunos
metales
Reciclables y biodegradables
Fuente (Ramiacuterez A Santos A amp Gonzaacutelez N 2012)
Las sales hidratadas tienen algunas propiedades atractivas como los
elevados valores de calor latente no son inflamables y su elevado contenido
hiacutedrico significa que son baratos y muy disponibles Sin embargo sus
caracteriacutesticas de inadaptacioacuten (corrosioacuten inestabilidad dificultades de re-
solidificacioacuten y tendencia al sub enfriamiento) han implicado la realizacioacuten de
estudios hasta la actualidad para poder manejar estas desventajas y realizar su
correcta aplicacioacuten Necesitan por tanto un contenedor para utilizarlos como
aditivos de otros materiales (Ramiacuterez A Santos A amp Gonzaacutelez N 2012)
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
Tabla 22 Temperatura de fusioacuten de algunas sales hidratadas
PCM Temperatura
fusioacuten (ordmC)
Q fusioacuten (kJkg)
KFmiddot4H2O 185 231
Na2SO4middot10H2O 324 254
CaCl2middot6H2O 24ndash29 192
CaCl2middot6H2O+Nucleador+MgCl2middot6H2O 23 -
Fuente (Ramiacuterez A Santos A amp Gonzaacutelez N 2012)
En la tabla 21 se muestran algunas ventajas y desventajas de los PCM
inorgaacutenicos y en la tabla 22 se muestran las temperaturas de fusioacuten de las sales
hidratadas que permiten determinar cuaacuteles son las oacuteptimas para utilizar en
aislacioacuten (las cuales su temperatura de fusioacuten se acerca a la temperatura de
confort)
2242 PCM orgaacutenicos parafinas aacutecidos grasos y mezclas orgaacutenicas
Los PCM orgaacutenicos poseen unas caracteriacutesticas que los hacen muy uacutetiles
en su aplicacioacuten en determinados elementos constructivos para almacenamiento
de calor latente
Investigadores determinaron que son maacutes estables quiacutemicamente que las
sustancias inorgaacutenicas funden y solidifican convenientemente sin necesidad de
agentes nucleadores y no sufren sub-enfriamiento o histeacuteresis (Gawron 1981)
No obstante se ha demostrado que son maacutes compatibles y adecuados para la
adsorcioacuten en varios materiales constructivos Aunque el costo inicial en materia
prima de un PCM orgaacutenico es superior al de un inorgaacutenico su costo final es
competitivo
Sin embargo estos materiales tienen otras desventajas la maacutes
significativa es que son inflamables y que emiten gases nocivos durante su
combustioacuten Otros problemas menos extendidos son las reacciones con los
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
productos de la hidratacioacuten en hormigoacuten (hidroacutexido de calcio) envejecimiento por
oxidacioacuten y cambios de olor
Muchos de estos inconvenientes se han eliminado Se ha visto que el
envejecimiento por oxidacioacuten de los PCM puede inhibirse utilizando un oxidante
adecuado Se estaacute investigando tambieacuten en la emisioacuten de gases y la
inflamabilidad de algunos de los PCM maacutes efectivos para establecer un radio de
ignicioacuten Tambieacuten se estaacute investigando sobre la compatibilidad de los PCM con
el hormigoacuten (Ramiacuterez A Santos A amp Gonzaacutelez N 2012)
En la tabla 23 se muestran algunas ventajas y desventajas de los PCM
orgaacutenicos y en la tabla 24 y 25 se muestran las temperaturas de fusioacuten de las
parafinas y aacutecidos grasos que permiten determinar cuaacuteles son las oacuteptimas para
utilizar en aislacioacuten (las cuales su temperatura de fusioacuten se acerca a la
temperatura de confort)
Tabla 23 Ventajas e inconvenientes de los PCM orgaacutenicos
Ventajas Inconvenientes
Faacuteciles de usar Calor latente y entalpiacutea maacutes bajos
Estabilidad teacutermica y quiacutemica Baja conductividad teacutermica
No sufren subenfriamiento Amplio rango de fusioacuten
No necesitan agente nucleador para
solidificar
Inflamables
No corrosivos Reaccioacuten potencial con hormigoacuten
Reciclables y ecoloacutegicamente inocuos Alto costo
Compatibilidad con materiales de construccioacuten convencionales
Fuente (Ramiacuterez A Santos A amp Gonzaacutelez N 2012)
Dentro de los PCM orgaacutenicos se pueden encontrar tres grupos de
sustancias diferentes parafinas aacutecidos grasos y mezclas orgaacutenicas A
continuacioacuten se presenta una pequentildea descripcioacuten de estos (Ramiacuterez A
Santos A amp Gonzaacutelez N 2012)
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
22421 Parafinas
Las parafinas son esencialmente un alcalino solido refinado Muestran dos
rangos de enfriamiento un rango maacutes estrecho para un breve periodo de tiempo
y un rango maacutes extenso que ocurre durante un periodo maacutes amplio Ambos se
interpretan como una transicioacuten de liacutequido a amorfo-soacutelida y amorfo-solida a
cristalino-solida respectivamente Parte del calor latente total de fusioacuten se
almacena en la sustancia durante cada una de estas transiciones
Tabla 24 Temperatura de fusioacuten de algunas parafinas
PCM Temperatura fusioacuten (ordmC) Q fusioacuten (kJkg)
Hexadecano 18 236
Heptadecano 22 214
Octadecano 28 244
Parafina 20ndash60 200
RT25 25 147
Fuente (Ramiacuterez A Santos A amp Gonzaacutelez N 2012)
22422 Aacutecidos Grasos
Los aacutecidos grasos derivados de productos animales y vegetales estaacuten
constituidos por una larga cadena alifaacutetica maacutes de 12 carbonos Su cadena
alquiacutelica puede ser saturada o insaturada
En general muestran excelentes caracteriacutesticas teacutermicas (punto de fusioacuten
y congelacioacuten) El rango de temperatura de refrigeracioacuten es grande y no se
produce sub enfriamiento aunque en algunos casos se han detectado Estos
materiales sin embargo tienen elevado costo pudieacutendose utilizar en dispositivos
especiales de almacenamiento de calor o frio
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
Tabla 25 Temperatura de fusioacuten de algunos aacutecidos grasos
PCM Temperatura fusioacuten (ordmC) Q fusioacuten (kJkg)
Caacuteprico 315 158
Laacuteurico 42-44 179
Pentadecano 52 159
Miriacutestico 54 190
Palmiacutetico 63 183
Esteaacuterico 70 196
Eritrol 116-118 126
Fuente (Ramiacuterez A Santos A amp Gonzaacutelez N 2012)
2243 Mezclas euteacutecticas
Tambieacuten existen las mezclas euteacutecticas que puede ser la mezcla de 2
PCM orgaacutenicos de 2 PCM inorgaacutenicos o de un PCM Orgaacutenico maacutes un PCM
inorgaacutenico A continuacioacuten en la tabla 26 se muestra la clasificacioacuten de los PCM
Tabla 26 Clasificacioacuten de los PCMs
Tipo PCM Composicioacuten
Orgaacutenicos Compuestos de parafina
Compuestos sin parafina
Inorgaacutenicos Sales hidratadas
Metaacutelicos
Euteacutecticos Orgaacutenico-Orgaacutenico
Orgaacutenico-Inorgaacutenico
Inorgaacutenico-Inorgaacutenico
Fuente (JuarezD Balart R Ferrandiz S amp Garcia D 2012)
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
23 Criterios de seleccioacuten de los Materiales con Cambio se Fase
Es muy importante la correcta seleccioacuten del material de cambio de fase
dependiendo del campo en que se desee utilizar por lo que a continuacioacuten se
presentaran algunos criterios para seleccionar un PCM correctamente Estos
criterios son propuestos seguacuten una investigacioacuten realizada en Espantildea (Ramiacuterez
A Santos A amp Gonzaacutelez N 2012)
a) Fiacutesicas
bull La densidad del liacutequido y del solido deben ser similares y preferiblemente
elevadas para poder almacenar mayor cantidad de calor por unidad de volumen
bull Variacioacuten de volumen (en el cambio de fase) bajo
b) Cineacuteticas
bull Evitar el problema de histeacuteresis subenfriamiento o retardo al inicio de la
solidificacioacuten como ocurre en los PCM inorgaacutenicos que se produce al no ceder
el calor latente de un PCM pese a que su temperatura sea inferior al punto de
congelacioacuten
c) Quiacutemicas
bull El proceso de cambio de fase debe ser totalmente reversible y solo dependiente
de la temperatura
bull Ser quiacutemicamente estables en el tiempo evitando su descomposicioacuten y
contaminacioacuten
bull No presentar segregacioacuten de fases
bull Ser compatibles con los materiales de encapsulado y otros con los que esteacute en
contacto estabilidad quiacutemica para evitar oxidacioacuten descomposicioacuten teacutermica
hidroacutelisis corrosioacuten y otras reacciones
bull No inflamables y resistentes al fuego
d) Teacutermicas
bull La temperatura de cambio de fase debe ser adecuada a cada aplicacioacuten
particular
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Diego Sarabia Meacutendez
bull Presentar una temperatura de fusioacuten definida o al menos el cambio de fase
debe producirse en un valor discreto o en un pequentildeo intervalo de temperaturas
bull Poseer una gran capacidad de almacenamiento de calor sensible (calor
especiacutefico) en estado soacutelido y liacutequido y elevada entalpia de cambio de fase calor
latente
bull Poseer una alta conductividad teacutermica para facilitar la transferencia de calor
e) Econoacutemicas
bull Estar disponible en grandes cantidades a bajo costo para que sean viables
teacutecnica y econoacutemicamente
bull Tener un razonable ciclo de vida uacutetil de acuerdo con su costo
24 Vida uacutetil del material cambio fase
El tiempo de vida uacutetil de un PCM viene determinado por la cantidad de
ciclos teacutermicos que es capaz de soportar un material manteniendo su estabilidad
teacutermica El PCM es sometido a repetidos ciclos de calentamiento y enfriamiento
en los que el material cambia de fase de soacutelido a liacutequido y posteriormente vuelve
a cambiar de fase de liacutequido a soacutelido Se miden sus propiedades teacutermicas en
temperaturas fusioacuten y entalpias obteniendo el nuacutemero de ciclos en los que las
propiedades teacutermicas del material no variacutean de forma considerable
Tras realizar una exhaustiva buacutesqueda existe muy poca bibliografiacutea
acerca de la degradacioacuten teacutermica de los PCM y la determinacioacuten de su tiempo de
uso especialmente en aplicaciones para edificacioacuten donde la vida uacutetil del material
debe ser elevada
Aunque es complicado conocer la vida uacutetil real de estos materiales y en
queacute momento dejan de conservar sus propiedades adecuadas para las
aplicaciones a las que se destina existen algunos artiacuteculos basados en
experimentos realizados en laboratorios de materiales sometidos a ciclos
teacutermicos acelerados para determinar si en un nuacutemero de ciclos el material
mantiene sus propiedades teacutermicas intactas (temperaturas fusioacuten y entalpias)
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
Algunos materiales son sometidos a 50 100 1000 o hasta 5000 ciclos teacutermicos
Pero el problema es determinar si ese maacuteximo de 5000 ciclos es suficiente para
asegurar que un material seguiraacute cumpliendo su funcioacuten Hasta el momento no
se ha encontrado en la literatura ninguna investigacioacuten donde se ensaye el
material un nuacutemero suficiente de ciclos hasta la peacuterdida de sus propiedades
teacutermicas para poder conocer su vida uacutetil o el nuacutemero de ciclos que es capaz de
soportar el PCM hasta su degradacioacuten
Por todo lo anteriormente expuesto en esta investigacioacuten se ha
considerado la vida uacutetil del material como el mayor nuacutemero de ciclos soportados
por un material obtenidos a partir de los estudios realizados por diferentes autores
en la literatura o fabricante a pesar de no haber llegado a degradarse en su
totalidad
25 Aplicacioacuten en la construccioacuten
El sector de la construccioacuten es el que maacutes beneficios puede obtener de la
utilizacioacuten de materiales con cambio de fase (PCM) ya que tiene importantes
beneficios en ahorro energeacutetico reducir la contaminacioacuten de CO2 y optimizar la
inercia teacutermica en las edificaciones con el objetivo de mejorar la habitabilidad de
los usuarios
La temperatura interior en un edificio depende de las condiciones
exteriores interiores y de las caracteriacutesticas teacutermicas de la edificacioacuten como la
capacidad teacutermica de los materiales que tiene un efecto como el mostrado en la
figura 23 el cual no considera un sistema activo en su anaacutelisis
Figura 23 Estabilizacioacuten de la temperatura interior por el efecto inercia teacutermica
Fuente (M Kenisarin amp K Mahkamov 2007)
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
36
Diego Sarabia Meacutendez
Actualmente la mayoriacutea de los materiales de construccioacuten son livianos lo
que trae como consecuencia una baja capacidad caloriacutefica La introduccioacuten de
materiales de cambio de fase puede aumentar la inercia teacutermica del edificio sin
aumentar mucho su peso Sin embargo es necesario disponer de aacuterea de
transferencia de calor suficiente para liberar esa energiacutea (Dincer I amp Rosen M
2002) y es imprescindible que se pueda descargar el material por medio de la
ventilacioacuten durante la noche para prevenir el sobrecalentamiento en los
elementos con PCM (M Kenisarin amp K Mahkamov 2007)
La Figura 24 muestra una comparacioacuten entre el espesor de material
requerido para obtener la misma capacidad teacutermica que la obtenida con un
centiacutemetro de PCM
Figura 24 Espesor requerido de distintos materiales Vs Energiacutea teacutermica
Fuente (M Kenisarin amp K Mahkamov 2007)
Las caracteriacutesticas requeridas para el empleo de materiales de cambio de
fase en la edificacioacuten son
0 5 10 15 20 25 30 35 40
Yeso
Madera
Hormigon
Ceramico
Ladrillo
PCM
Espesor (cm)
H (
kJK
g)
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
37
Diego Sarabia Meacutendez
Temperatura de cambio de fase entre 12 y 25ordmC
Alta estabilidad a los ciclos de cambio de fases debido a la larga vida uacutetil
de los edificios
No corrosivos para reducir el riesgo de fuga de su contenedor y evitar
dantildeos en la estructura del edificio
Considerar la inflamabilidad al fuego y dar soluciones constructivas de
acuerdo a la normativa
Econoacutemicamente viable en funcioacuten de los costos de implementacioacuten y
ahorro energeacuteticos
Una limitacioacuten de los PCM para su aplicacioacuten en la construccioacuten es la
estacionalidad pues el PCM debe ser seleccionado para aplicaciones en
calefaccioacuten pasiva Esta limitacioacuten reduce los beneficios teacutermicos el ahorro
energeacutetico y su viabilidad econoacutemica Investigadores estudiaron un concepto de
doble capa de PCM para que funcionara durante todo el antildeo (A Pasupathy L
Athanasius R Velraj amp RV Seeniraj 2008)
26 Encapsulacioacuten
Uno de los criterios que ha limitado el uso generalizado de los PCM es la
incompatibilidad entre estos materiales y sus contenedores afectando su
estabilidad a largo plazo degradado sus propiedades y provocando la corrosioacuten
de sus recipientes de embalaje Como respuesta a estos inconvenientes han
surgido diferentes teacutecnicas de encapsulacioacuten de los PCM las cuales ofrecen
unas ventajas significativas tales como
Aumento del aacuterea de transferencia de calor
Reduccioacuten de la reactividad hacia el ambiente exterior
Control de los cambios en el volumen eacutestos ocurren dentro de la capsula
No hay absorcioacuten de humedad
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
38
Diego Sarabia Meacutendez
Los meacutetodos de encapsulacioacuten clasificados de acuerdo a su tamantildeo
pueden ser de dos tipos micro y macro encapsulados (Lane 1986)
261 Microcaacutepsulas
Una investigacioacuten menciona que la micro encapsulacioacuten podriacutea definirse
como el proceso de rodear o envolver una sustancia en otra sustancia a escala
muy reducida produciendo caacutepsulas que van desde 1 μm a 1000 μm de diaacutemetro
Los tres estados de la materia (soacutelidos liacutequidos y gases) pueden ser micro
encapsulado
El material de la membrana exterior debe ser compatible con el PCM y a
su vez ser capaz de hacer frente a la tensioacuten mecaacutenica sobre las paredes del
recipiente provocada por las variaciones de volumen durante el cambio de fase
(S E Kalnaeligs amp B P Jelle 2015)
Por lo general los PCM micro-encapsulados se encuentran
comercialmente disponibles en dos formatos dispersioacuten fluida donde las
caacutepsulas son dispersadas en agua o en polvo en mezclas en seco
La figura 25 muestra en teacuterminos practico la conformacioacuten de la
envolvente de poliacutemero en una cera PCM dimensionando el tamantildeo en ellas
Figura 25 Microcaacutepsulas
Fuente (S E Kalnaes and B P Jelle 2015)
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
39
Diego Sarabia Meacutendez
262 Macrocaacutepsulas
La macro-encapsulacioacuten hace referencia a PCM encapsulados en
cualquier tipo de recipiente tal como tubos esferas o paneles que pueden ser
incorporados en materiales de construccioacuten o que actuacutean como intercambiadores
de calor por siacute mismos El tamantildeo de estos contenedores es por lo general maacutes
de 1 cm3 almacenando desde varios mililitros hasta varios litros La tecnologiacutea
de macro encapsulacioacuten emplea un proceso de encapsulacioacuten de doble capa
creando una caacutepsula con una configuracioacuten en forma de matriz La principal
ventaja de los envases plaacutesticos es la disponibilidad en el mercado y la facilidad
de producirlos en una gran variedad de formas y con pocas restricciones
geomeacutetricas Ademaacutes son compatibles con la mayoriacutea de PCM incluyendo las
sales hidratadas por lo general no presentan degradacioacuten aunque algunos
materiales orgaacutenicos pueden llegar a suavizarlos (S E Kalnaes and B P Jelle
2015)
El PCM se encuentra confinado por la encapsulacioacuten evitaraacute cambios
volumeacutetricos importantes lo que evita varios riesgos y garantiza la integridad del
componente en el que se insertan las caacutepsulas La barrera polimeacuterica puede ser
de otros materiales por ejemplo como aluminio ya que mejora la compatibilidad
con otros materiales de construccioacuten y evita la corrosioacuten Este tipo de aplicacioacuten
es de faacutecil manejo una clara ventaja de este proceso en relacioacuten a los meacutetodos
de impregnacioacuten e inmersioacuten del iacutetem anterior
Figura 26 Caacutepsulas de macro PCM (Contenedor plano Esfera Placas de
barra doble y placas de aluminio)
Fuente (S E Kalnaeligs amp B P Jelle 2015)
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
CAPITULO III MEacuteTODOS Y METODOLOGIacuteA
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
41
Diego Sarabia Meacutendez
En este estudio la evaluacioacuten se centra en el anaacutelisis de optimizacioacuten de
la aplicacioacuten PCM a los muros exteriores y dimensionamiento del rendimiento
teacutermico de una vivienda en estudio
Los modelos generados en el software Energy Plus se ingresoacute valores de
los sistemas constructivos de la vivienda en estudio condiciones climaacuteticas
caracterizacioacuten PCM en muros exteriores y caracterizacioacuten macro encapsulacioacuten
de acuerdo con las directrices (DOE 2016) se explica en las siguientes secciones
del capiacutetulo
31 Herramienta de simulacioacuten de energiacutea
Para evaluar los PCM de comportamiento teacutermico variable de la vivienda
en estudio con y sin PCM se utilizoacute el software EnergyPlus v 87
En teacuterminos generales el software puede evaluar una variedad de caacutelculos
destacados como los caacutelculos de puentes teacutermicos HVAC integrado y
simulaciones de carga de construccioacuten confort teacutermico y materiales con
conductividad teacutermica variable como el PCM (DB Crawley LK Lawrie FC
Winkelmann WF Buhl YJ Huang amp CO Pedersen 2001) Ademaacutes hay
muchas opciones para la conveccioacuten de la superficie interior y exterior
algoritmos infiltracioacuten avanzada e ventilacioacuten energiacutea desarrollada costos del
ciclo de vida algoritmos avanzados de confort teacutermico como como la calidad del
aire interior y el confort teacutermico para los ocupantes (DB Crawley JW Hand M
Kummert amp BT Griffith 2008)
Para analizar el comportamiento teacutermico variable de los PCM en estudio
se utilizoacute el algoritmo de diferencia finita de conduccioacuten (CondFD) Este algoritmo
modela la transferencia de calor en presencia de PCM y junto con la ecuacioacuten (2)
discretiza la envolvente del edificio en varios nodos para resolver numeacutericamente
la transferencia de calor en el software se puede escoger ecuaciones por un
esquema totalmente impliacutecito y el Crank-Nicolson que es semi-impliacutecito (KO
Lee 2016)
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
En esta investigacioacuten se utiliza un esquema Crank-Nicolson para simular
PCM para un material homogeacuteneo con espaciado uniforme de nodos como se
muestra en la ecuacioacuten (2) (3) y (4) extraiacutedo del manual del software
EnergyPlus (DOE 2016)
119862119901120588∆119909119879119894
119895+1minus 119879119894
119895
∆119905= (119896119908
119879119894+1119895+1
minus 119879119894119895+1
∆119909+ 119896119864
119879119894minus1119895+1
minus 119879119894119895+1
∆119909+ 119896119908
119879119894+1119895
minus 119879119894119895
∆119909+ 119896119864
119879119894minus1119895
minus 119879119894119895
∆119909)
Ec 2
∆119909 = radic119888120572∆119905 Ec 3
Donde Cp y ρ son el calor especiacutefico y la densidad del material Δ119909 es el
espesor de capa de diferencia finita Δ119905 es el paso de tiempo 119879 es la temperatura
de un nodo 119894 119894 + 1 y 119894 minus 1 son los nodos adyacentes al interior y exterior
respectivamente de una capa de material 119895 y 119895 + 1 son los pasos de tiempo
anterior y nuevo 119896119908 y 119896119864 representan las conductividades teacutermicas 119896119908 =
119896119894+1119895+1
+119896119894119895+1
2 y 119896119864 =
119896119894minus1119895+1
+119896119894119895+1
2 120572 es la difusividad teacutermica del material y 119888 es la
constante de discretizacioacuten del espacio que puede definir el usuario (3 es el valor
predeterminado para esta constante seguacuten manual)
Esta investigacioacuten considera el uso de paneles PCM por lo tanto el
algoritmo CondFD ecuacioacuten (2) debe combinarse con una funcioacuten de temperatura
de entalpiacutea ℎ = ℎ (119879) estos datos en la funcioacuten se obtendraacuten de acuerdo al estudio
bibliograacutefico El algoritmo usa esta funcioacuten para actualizar el calor especiacutefico
equivalente (119862119901) en cada paso de tiempo como se muestra en la ecuacioacuten (4)
lowast 119862119901(119879) =ℎ119894
119895minus ℎ119894
119895minus1
119879119894119895
minus 119879119894119895minus1
Ec 4
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
32 Descripcioacuten Vivienda en estudio
En este apartado se define los sistemas constructivos de la vivienda en
estudio con y sin PCM para obtener la liacutenea base de comparacioacuten
En la figura 31 se muestra el disentildeo de vivienda en estudio de 56 m2 y
los espacios interiores con su distribucioacuten de aacutereas veacutease en la tabla 31 esta
vivienda se configuro de acuerdo a las soluciones constructivas acreditadas
(MINVU Soluciones constructivas acreditadas al fuego teacutermico y acuacutestico
2020)
Las caracteriacutesticas de la envolvente de la vivienda en estudio cuentan con
la configuracioacuten miacutenima de la reglamentacioacuten teacutermica que actualmente rige en
Chile estaacute establecida en la Ordenanza General de Urbanismo y Construcciones
en su artiacuteculo 4110 y en una zonificacioacuten del paiacutes en zonas teacutermicas seguacuten
grados-diacutea especificados en el manual de aislamiento teacutermico (MINVU Manual
de aplicacioacuten y reglamentacoacuten teacutermica 2017) Los complejos de techumbres
muros perimetrales y pisos inferiores ventilados entendidos como elementos que
constituyen la envolvente de la vivienda deberaacuten tener una transmitancia teacutermica
ldquoUrdquo igual o menor o una resistencia teacutermica total ldquoRtrdquo igual o superior a la
sentildealada para la zona que le corresponda al proyecto de arquitectura de acuerdo
con los planos de zonificacioacuten teacutermica corresponde a zona 4 y se verifica lo
anteriormente expuesto en la tabla 32 cabe sentildealar que los valores de
transmitancia teacutermica se extrajeron de acuerdo a las ecuaciones de balance
teacutermico que estaacute incorporado en el software
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
Figura 31 Descripcioacuten Vivienda en estudio
Elaboracioacuten Propia - Software Revit
A continuacioacuten se muestra las dimensiones que tiene cada espacio de las
dos torres del edificio en las siguientes tablas
Tabla 31 Resumen superficies de los distintos espacios vivienda en estudio
Torre A
Lugar Superficie (119950120784) Altura (m)
Dormitorio Primario 8 24
Dormitorio Secundario 7 24
Cocina 9 24
Living - Comedor 28 24
Bantildeo 3 24
TOTAL 56
Fuente Elaboracioacuten Propia
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
Tabla 32 Cumplimiento de la envolvente elementos constructivos de la vivienda en estudio
Elemento Materiales (exterior al
interior)
Espesor (m)
Transmitencia teacutermica Valor U (Wm2K)
Transmitencia teacutermica exigida Valor U (Wm2K)
Muro Exterior
Siding
Fibrocemento
0006
0672
17
Plancha OSB 0009
Entramado
madera pino 2x3
0075
Lana de vidrio 005
Caacutemara no
ventilada
(Ubicacioacuten del
PCM)
0026
Placa yeso cartoacuten 0015
Muro Interior
Placa yeso cartoacuten 0015
0677
17
Entramado
madera pino 2x2
0075
Lana de vidrio 005
Placa yeso cartoacuten 0015
Techumbre
Plancha Zincalum 0035
0316
038
Fieltro 0005
Plancha OSB 0009
Entramado madera pino 2x2
0075
Lana de Vidrio 005
Placa yeso cartoacuten 00125
Piso en contacto
con el terreno
Radier Hormigoacuten 02 17 No aplica
Fuente Elaboracioacuten Propia
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
Para integrar el PCM con la vivienda en estudio se configuro las
propiedades teacutecnicas y la ubicacioacuten optima interna del PCM al panel externo
constructivo donde se administroacute en el modelo de simulacioacuten veacutease en la Figura
313 y figura 38
321 Meacutetodo de zona en software EnergyPlus
El modelo de construccioacuten creado se utilizoacute el meacutetodo de zona donde
todas las zonas fueron modeladas con informacioacuten completa en construccioacuten
ocupacioacuten equipamiento y HVAC
Al iniciar el modelo se elige la ubicacioacuten y el tipo de anaacutelisis Despueacutes se
debe ingresar un nombre al sitio y a cada zona Ademaacutes se puede asignar varios
edificios bajo el mismo sitio cada uno con su propio nombre Una vez definido lo
anterior se genera bloque que generalmente representa un piso o nivel planta
para este estudio se genera bloque de acuerdo a la figura 32
Figura 32 Modelo de zona en casa de estudio
Fuente Elaboracioacuten Propia
La fase de zonificacioacuten separa las diferentes zonas teacutermicas Para el
modelo cada suite se considera una zona El meacutetodo de zona permite asignar
diferentes horarios operativos a cada zona Cada una de las paredes de cada
bloque se llama superficie y ventanas o puertas como sub-superficies o
aberturas La vivienda se muestra parcialmente en la Figura 33
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
47
Diego Sarabia Meacutendez
Figura 33 Zona y sub-superficie de vivienda en estudio
Fuente Elaboracioacuten Propia
El software da la posibilidad de elegir los materiales utilizados en la
construccioacuten de la vivienda a traveacutes de sus bibliotecas de materiales o pueden
ser creados por el usuario y los materiales elegidos son asignado a las partes
especificadas de la vivienda Estos pasos se repitieron en todos los pisos para
completar todo el modelo de construccioacuten
33 Datos meteoroloacutegicos
El modelo de simulacioacuten se mantuvo en base a los datos meteoroloacutegicos
con formato EPW en Energy plus se definioacute la ubicacioacuten Concepcioacuten Chile Con
el objetivo de evaluar el rendimiento teacutermico y analizar la optimizacioacuten de la
posicioacuten del PCM al muro exterior de la vivienda en estudio Las configuraciones
de los datos meteoroloacutegicos se muestran en la Figura 34
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
Figura 34 Configuracioacuten datos meteoroloacutegico
Fuente Elaboracioacuten Propia
34 Jornadas de ocupacioacuten
Para realizar la simulacioacuten energeacutetica se deben definir una serie de
planillas de ocupacioacuten de los recintos uso de luminaria y equipos En estas
planillas de ocupacioacuten se define el ciclo horario para todos los diacuteas del antildeo
Esto se realiza con la finalidad de establecer los periodos en los que
influyen los distintos tipos de cargas internas en la vivienda
A continuacioacuten se adjunta a modo de ejemplo la figura 35 en la cual se
puede ver el menuacute de configuracioacuten de las plantillas de ocupacioacuten
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
49
Diego Sarabia Meacutendez
Figura 35 Planilla de uso horario de un recinto
Fuente Elaboracioacuten propia
35 Configuracioacuten envolvente por elemento y sistemas de climatizacioacuten
Definidos las zonas y multi zonas del modelo se deberaacute configurar los
sistemas constructivos en sus propiedades teacutermicas y dimensiones El software
automaacuteticamente genera el caacutelculo de transmitancia teacutermica anaacutelisis de
condensacioacuten y dimensioacuten en imagen por elemento Veacutease en la figura 36
Para configurar el sistema de climatizacioacuten primero se debe definir los
rangos de temperatura confort teacutermico en la pestantildea de actividades del software
Veacutease figura 37 A continuacioacuten se define el tipo de sistema de climatizacioacuten
definiendo las horas de operacioacuten tipo combustible y rendimiento del sistema
como se muestra en la figura 38
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
Figura 36 Planilla configuracioacuten envolvente por elemento
Fuente Elaboracioacuten propia
Figura 37 Planilla configuracioacuten rango de temperatura confort teacutermico
Fuente Elaboracioacuten propia
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
Figura 38 Planilla configuracioacuten del tipo de sistema de climatizacioacuten
Fuente Elaboracioacuten propia
36 Caracterizacioacuten PCM
En este estudio se utilizoacute placas PCM tipo orgaacutenico de parafina tiene una
relacioacuten de mezcla de n-octadecano a n-heptadecano seleccionado debido a la
eficiencia energeacutetica con temperatura cercana al confort teacutermico (12ndash26 deg C)
basado en ISO 13790 (KO Lee 2016)
Seguacuten el estado de arte existente se definioacute los tres materiales de cambio
de fase los cuales son candidatos idoacuteneos para utilizar en esta investigacioacuten
Estos materiales han sido estudiados por diversos autores con el fin de obtener
sus propiedades termofiacutesicas y usarlas en la edificacioacuten La razoacuten de utilizar estos
materiales es debido a sus propiedades teacutermicas y el que su temperatura de
fusioacuten es cercana a la temperatura de confort
Ademaacutes la vida uacutetil del PCM es de 13 antildeos seguacuten su ciclo de cambio
fase considerando 365 cambios fase anual el cual se justifica con los costos de
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
52
Diego Sarabia Meacutendez
inversioacuten al implementar esta tecnologiacutea dependiendo de la magnitud del flujo
de calor el cuaacutel se quiere operar
Las especificaciones teacutecnicas de las placas PCM y el comportamiento de
temperaturas y entalpias de operacioacuten se describen en la tabla 33 las cuales se
vinculan con el algoritmo CondFD de la ecuacioacuten (2) para evaluar su rendimiento
energeacutetico en la vivienda en estudio
361 Seleccioacuten de Materiales Cambio Fase
Tabla 33 Especificaciones teacutecnicas de PCM a utilizar
Caracteriacutesticas RT18HC
Valores Unidades Grafica entalpia y Temperatura
Temperatura de Fusioacuten
18
degC
Almacenamiento de calor
260 [kJkg]
Capacidad calor especifico
2 [kJkgK]
Densidad solido (a los 15degC)
088 [kgl]
Densidad solido (a los 25degC)
077 [kgl]
Conductividad teacutermica
(Ambas fases)
02 [W(mK)]
Expansioacuten de Volumen
125
Maacutexima temperatura operacioacuten
50 degC
Ciclo Cambio fase
5000 -
Caracteriacutesticas RT21HC
Valores Unidades Grafica entalpia y Temperatura
Temperatura de Fusioacuten
21
degC
Almacenamiento de calor
155 [kJkg]
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
53
Diego Sarabia Meacutendez
Capacidad calor especifico
2 [kJkgK]
Densidad solido (a los 15degC)
088 [kgl]
Densidad solido (a los 25degC)
077 [kgl]
Conductividad teacutermica
(Ambas fases)
02 [W(mK)]
Expansioacuten de Volumen
12
Maacutexima temperatura operacioacuten
45 degC
Ciclo Cambio fase
5000 -
Caracteriacutesticas RT22HC
Valores Unidades Grafica entalpia y Temperatura
Temperatura de Fusioacuten
22
degC
Almacenamiento de calor
190 [kJkg]
Capacidad calor especifico
2 [kJkgK]
Densidad solido (a los 15degC)
076 [kgl]
Densidad solido (a los 25degC)
070 [kgl]
Conductividad teacutermica
(Ambas fases)
02 [W(mK)]
Expansioacuten de Volumen
125
Maacutexima temperatura operacioacuten
50 degC
Ciclo Cambio fase
5000 -
Fuente (Rubitherm 2020)
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
362 Configuracioacuten del PCM en EnergyPlus
De acuerdo al estudio bibliograacutefico de los materiales cambio fase para
ingresar los datos al software se debe definir las cantidades de temperatura de
operacioacuten identificar el punto de fusioacuten en las graacuteficas de entalpia y temperatura
de la tabla 33 conductividad teacutermica calor especifico densidades y espesor en
el elemento constructivo con el fin de determinar el flujo de calor de operacioacuten
de acuerdo al balance termodinaacutemico de la ecuacioacuten (2) A continuacioacuten se
adjunta a modo de ejemplo la figura 39 en la cual se puede ver el menuacute de
configuracioacuten
Figura 39 Configuracioacuten del PCM en el software
Fuente Elaboracioacuten Propia
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
55
Diego Sarabia Meacutendez
363 Cotizacioacuten PCM RT21
La inversioacuten total del material cambio fase es de $1106679
correspondiente a 160 kg con transporte incluido Se observa que el costo de
transporte afecta considerablemente en su valor (Alemania)
Se realizoacute cotizacioacuten del material RT21 en la empresa alemana Rubitherm
se presenta en la figura 310
Figura 310 Cotizacioacuten del material RT21
Fuente (Rubitherm 2020)
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
37 Caracterizacioacuten Macro encapsulacioacuten
En esta seccioacuten la placa de macro encapsulacioacuten utilizada para el PCM
es de materialidad de aluminio veacutease figura 311 esto aumenta la transferencia
de calor en los PCM Son dos placas que estaacuten unidas entre siacute Se unen en dos
puntos centrados y se pegan en sus marcos Pueden ser utilizados para PCM
(orgaacutenico - inorgaacutenico) Por lo tanto se puede ofrecer un rango de temperatura
para una variedad de aplicaciones El grosor depende del volumen de llenado y
por lo tanto de la capacidad de almacenamiento Para el estudio se seleccionoacute
el modelo CSM105 Rubitherm el cual su espesor es de 15 mm y puede
almacenar 2 Kg de PCM por placa
Figura 311 Modulo Almacenamiento Macro encapsulacioacuten de aluminio
Fuente (Rubitherm 2020)
371 Cotizacioacuten Macro encapsulacioacuten
La inversioacuten total de la Macro encapsulacioacuten de aluminio modelo CSM105
Rubitherm es de $ 4326306 correspondiente a 150 unidades con transporte
incluido Se observa que el costo de transporte afecta considerablemente en su
valor (Alemania) Se realizoacute cotizacioacuten de los elementos de Macro encapsulacioacuten
de aluminio modelo CSM105 Rubitherm se presenta en la figura 312
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
57
Diego Sarabia Meacutendez
Figura 312 Cotizacioacuten Macro encapsulacioacuten
Fuente (Rubitherm 2020)
38 Validacioacuten muro constructivo con PCM
De acuerdo a los estudios del estado de arte y conocimientos teacutecnicos se
validoacute el sistema constructivo propuesto del muro exterior en el cumplimiento de
resistencia al fuego de acuerdo al cataacutelogo de soluciones constructivas del
MINVU y de la Ordenanza General de Urbanismo y Construcciones (OGUC)
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
381 Cumplimiento de la OGUC y Resistencia al fuego
Dentro de las exigencias a cumplir por la OGUC se tiene la resistencia
al fuego en elementos constructivos seguacuten el tipo de recinto Para el caso del
muro de la vivienda en estudio se hace el siguiente anaacutelisis
De la tabla Ndeg34 seguacuten ldquodestino del edificiordquo ldquosuperficie edificada (m2)rdquo y
ldquonuacutemero de pisosrdquo se obtiene una clasificacioacuten (a b c y d) seguacuten corresponda
En el caso de estudio se tiene una vivienda de 1 piso por lo que el destino
es ldquoHabitacionalrdquo y por nuacutemero de pisos se establece una clasificacioacuten ldquodrdquo
Tabla 34 Clasificacioacuten de los edificios seguacuten su destino superficie edificada y
nuacutemero de pisos Destino del Edificio Superficie Edificada (m2) Nuacutemeros de Pisos
1 2 3 4 5 6 7 o mas
Habitacional Cualquiera d d c c b a a
Hoteles Sobre 5000 c b a a a a a
Sobre 1500 y hasta 5000 c b b b a a a
Sobre 500 y hasta 1500 c c b b a a a
Hasta 500 d c b b a a a
Oficinas Sobre 1500 c c b b b a a
Sobre 500 y hasta 1500 c c c b b b a
Hasta 500 d c c b b b a
Museos Sobre 1500 c c b b b a a
Sobre 500 y hasta 1500 c c c b b b a
Hasta 500 d c c b b b a
Clinica Hospitales y Lab Sobre 1000 c b b a a a a
Hasta 1000 c c b b a a a
Policlinicos Sobre 400 c c b b b b a
Hasta 400 d c c b b b a
Restaurante Sobre 500 b a a a a a a
Sobre 250 y hasta 500 c b b a a a a
Hasta 250 d c c b b a a
Locales Comerciales Sobre 500 c b b a a a a
Sobre 200 y hasta 500 c c b b a a
Hasta 200 d c b b b a a
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Bibliotecas Sobre 1500 b b a a a a a
Sobre 500 y hasta 1500 b b b a a a a
Sobre 250 y hasta 500 c b b b a a a
Hasta 250 d c b b a a a
Automotoras Cualquiera d c c b b b a
Edificio Estacionamiento Cualquiera d c c c b b a
Fuente (MINVU Soluciones constructivas acreditadas al fuego teacutermico y
acuacutestico 2020)
Para lograr obtener la resistencia al fuego necesaria se debe utilizar
ademaacutes la tabla 34 la cual utilizo como criterios la clasificacioacuten obtenida de la
tabla 35 y el tipo de elemento constructivo
Tabla 35 Resistencia al fuego para diferentes elementos de construccioacuten Elementos de Construccioacuten
Tipo (1) (2) (3) (4) (5) (6) (7) (8) (9)
A F-180 F-120 F-120 F-120 F-120 F-30 F-60 F-120 F-60
B F-150 F-120 F-90 F-90 F-90 F-15 F-30 F-90 F-60
C F-120 F-90 F-60 F-60 F-60 - F-15 F-60 F-30
D F-120 F-60 F-60 F-60 F-30 - - F-30 F-15
Fuente (MINVU Soluciones constructivas acreditadas al fuego teacutermico y
acuacutestico 2020) Simbologiacutea
Elementos verticales
(1) Muros cortafuego
(2) Muros zona vertical de seguridad y caja de escalera
(3) Muros caja de ascensores
(4) Muros divisorios entre unidades (hasta la cubierta)
(5) Elementos soportantes verticales
(6) Muros no soportantes y tabiques
Elementos verticales y horizontales
(7) Escaleras
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teacutermica de una viviendardquo
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Elementos Horizontales
(8) Elementos soportantes horizontales
(9) Techumbre incluido cielo falso
Para el caso de los muros que dan al exterior de la vivienda en estudio se
considera en la categoriacutea (5) y seguacuten la clasificacioacuten obtenida de la tabla 35 (d)
se tiene un grado de resistencia al fuego F-30
Para cumplir con esta exigencia se utiliza una solucioacuten del cataacutelogo de
soluciones constructivas del MINVU la cual se presenta a continuacioacuten
Tabla 36 Tabique perimetral estructura madera en vivienda en estudio
A233014 Tabique Estructura Madera Volcanita 15 mm RF Placa
OSB 9 mm Siding Volcan 6 mm Aislanglas R122 50 mm
Elemento estaacute formado por una estructura de madera hecha con listones de pino
radiata de 2rdquo x 3rdquo en bruto Consta de 5 pie-derechos distanciados entre ejes
cada 06 m dos cadenetas distanciadas entre ejes cada 08 m una solera inferior
y otra superior Esta estructuracioacuten esta forrada por una de sus caras con una
plancha de yeso-cartoacuten ldquoVolcanita RFrdquo de 15 mm de espesor La otra cara esta
forrada con una placa de madera OSB de 9 mm de espesor y como terminacioacuten
en esta cara lleva unas fajas horizontales de fibrocemento ldquoSiding Volcanrdquo tipo
tinglado de 190 mm de ancho y 6 mm de espesor Todo el conjunto esta
atornillado a la estructura de madera Esta conformacioacuten deja espacios libres en
el interior del panel estaacuten rellenos con una manta de lana de vidrio tipo rollo libre
R122 de 50 mm de espesor de densidad media aparente de 14 kgm3 Las
dimensiones para el ensayo fue 22 de ancho x 24 de alto y 105 mm de espesor
INSTITUCION Ndeg Informe Lab Fecha Resistencia Inscripcioacuten
Volcaacuten SA 374721 IDIEM 26-06-96 F-30 2015
Fuente (MINVU Soluciones constructivas acreditadas al fuego teacutermico y
acuacutestico 2020)
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
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Otra de las exigencias por parte de la OGUC es el cumplimiento de la
reglamentacioacuten teacutermica mostrado en la tabla 32 para esto se compara las
transmitancias teacutermicas exigidas con las envolventes de los elementos
constructivos de la vivienda en estudio Para el caso del muro donde se
incorporaraacute el PCM se seleccionoacute de acuerdo al listado de soluciones
constructivas del MINVU para validar la resistencia al fuego En la figura 313 se
visualiza las componentes de la envolvente del muro con PCM
Figura 313 Sistema Constructivo Muro exterior con PCM en vivienda estudio
Fuente Elaboracioacuten Propia
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CAPITULO IV RESULTADOS Y DISCUSIOacuteN
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En este segmento se evaluoacute el comportamiento energeacutetico de los
materiales cambio fase mediante el software Energy Plus Los materiales cambio
fase se produce dentro de placas de macro encapsulacioacuten de aluminio al interior
de los muros exteriores
Por lo tanto se observoacute el aporte energeacutetico de los materiales cambio fase
en un sistema activo de calefaccioacuten optimizando los sistemas constructivos en
la vivienda en estudio y dar respuesta a su aplicacioacuten en acondicionamiento
ambiental
41 Comportamiento Energeacuteticos de los materiales cambio fase
A continuacioacuten se comparoacute el comportamiento energeacutetico de dos sistemas
de climatizacioacuten con el aporte energeacutetico pasivo de los distintos materiales
cambio fase en una vivienda en estudio
411 Rendimiento energeacutetico de calefaccioacuten con y sin PCM
Para evaluar el comportamiento energeacutetico se definioacute la temperatura de
fusioacuten de los PCM en el rango de 18 a 22degC el aporte energeacutetico de los PCM
ayudo a mantener constante la temperatura confort de 21degC en la vivienda y
reducir los consumos energeacuteticos del sistema activo para este estudio se
escogioacute dos sistemas de climatizacioacuten caso 1 calefaccioacuten a lentildea con un η=07 y
caso 2 Climatizacioacuten por bomba de calor η=27 esta seleccioacuten se debe a que el
sistema de calefaccioacuten a lentildea es el maacutes usado en la zona genera una alta
contaminacioacuten ambiental por su combustioacuten en material particulado es el
combustible maacutes econoacutemico por unidad de energiacutea y su inversioacuten es accesible
en cambio los equipos de bomba calor tienen un mayor rendimiento energeacutetico
tiene menos impacto al medio ambiente y su inversioacuten es costosa
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
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La figura 41 (a) muestra las potencias maacuteximas de disentildeo en
climatizacioacuten comparando la liacutenea base con la implementacioacuten de materiales
PCM en vivienda en estudio ubicado en Concepcioacuten Chile A traveacutes de este
anaacutelisis se identificoacute una disminucioacuten en su potencia de disentildeo de 319 (de
263 kW a un 179 kW) con respecto al caso base
Figura 41 (a) Potencia maacutexima disentildeo con y sin PCM en vivienda estudio
Fuente Elaboracioacuten Propia
En la figura 41 (b) y (c) se realizoacute la comparacioacuten de distintos tipos de
materiales PCM con un rango de temperatura de fusioacuten entre 18 degC a 22degC para
determinar cuaacutel es maacutes eficiente en funcioacuten de las variables de disentildeo
emplazamientos y propiedades teacutermicas
Para el primer caso se evaluoacute el sistema de calefaccioacuten a lentildea y el rol
clave de estos materiales PCM es reducir el consumo energeacutetico y el kgCO2
generado por la combustioacuten En los resultados se visualizoacute que el material cambio
fase optimo corresponde al PCM 22HC arrojando una reduccioacuten del consumo
energeacutetico de 341 (de 3694 kWh a un 2434 kWh) en comparacioacuten al caso base
CocinaDormitorioSecundario
DormitorioPrimario
Living-Comedor
Bantildeo
Sin PCM 03 037 047 129 02
Con PCM 017 027 033 087 015
0
02
04
06
08
1
12
14
Dem
ada
En
erge
tica
(k
W)
Potencia Maxima de Disentildeo
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Para el segundo caso se evaluoacute un sistema de bomba de calor multisplit
al igual que en el caso anterior el material optimo corresponde al PCM 22HC se
observoacute una disminucioacuten de consumo energeacutetico de un 344 (de 688 kWh a un
451 kWh) en comparacioacuten al caso base
Para ambos casos se observoacute una notable reduccioacuten de los consumos
energeacuteticos en estacioacuten friacutea
Figura 41 (b) Caso 1 - Consumo energeacutetico en calefaccioacuten Lentildea con y sin
PCM en vivienda estudio
Fuente Elaboracioacuten Propia
Ene Feb Mar Abr May Jun Jul Ago Sept Oct Nov Dic
Sin PCM 75 79 138 267 477 604 626 498 408 271 147 104
PCM 18 37 34 73 188 424 579 602 440 347 185 85 60
PCM 21 31 27 64 167 397 547 570 405 313 161 71 53
PCM 22 13 11 39 138 354 506 528 357 275 130 49 34
0
200
400
600
800
1000
Co
nsu
mo
Co
mb
ust
ible
(k
Wh
)
Consumo Combustible Lentildea Mensual
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Figura 41 (c) Caso 2 - Consumo energeacutetico Bomba de calor con y sin PCM en
vivienda estudio
Fuente Elaboracioacuten Propia
Se identificoacute que la temperatura de fusioacuten maacutes baja de los PCM no es
viable en la optimizacioacuten del sistema pasivo en climatizacioacuten podriacutea ser explicado
por las variables temperatura exteriores dependiendo de las condiciones
climaacuteticas por su emplazamiento Por ejemplo de acuerdo con las cargas
maacuteximas de calefaccioacuten se debe a que la energiacutea en invierno aumento
estableciendo las temperaturas de confort teacutermico esta es una variable de
seleccioacuten del PCM que serviraacute para optimizar el disentildeo en funcioacuten del confort
teacutermico disminuyendo demanda energeacutetica perdidas caloriacuteficas y consumos
energeacuteticos de sistemas de calefaccioacuten activos
Seguacuten el estado de arte otro punto importante a comentar es tener en
cuenta que las curvas de entalpia y temperatura tanto para refrigeracioacuten y
calefaccioacuten deben ser lo maacutes cercana posible de lo contrario se produciriacutea una
Ene Feb Mar Abr May Jun Jul Ago Sept Oct Nov Dic
Sin PCM 14 15 26 50 89 112 116 92 78 50 27 19
PCM 18 7 6 14 35 79 107 112 82 64 34 16 11
PCM 21 57 5 12 31 74 101 106 75 58 30 13 10
PCM 22 23 2 72 256 66 936 976 662 511 24 9 63
0
20
40
60
80
100
120
Co
nsu
mo
Co
mb
ust
ible
(k
Wh
)Consumo Combustible Bomba de calor Mensual
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histeacuteresis o sub enfriamiento y afectariacutea considerablemente el rendimiento del
PCM en su aplicacioacuten
Para la implementacioacuten de sistemas activos sustentables en climatizacioacuten
se demuestra en el estudio que el aporte energeacutetico de los PCM es mantener la
temperatura constante dentro de los espacios interiores y ayudan tambieacuten a bajar
considerablemente los consumos energeacuteticos y es un aporte al medio ambiente
Para sistemas pasivos la eficiencia en los PCM en los muros exteriores
podriacutea incrementarse sugiriendo que haya acristalamiento a base de muros
cortina durante el diacutea lleva al PCM al proceso de cambio de fase de manera
estable en el tiempo debido a su almacenamiento teacutermico (F Ascione RF De
Masi F de Rossi S Ruggiero amp GP Vanoli 2016)
Ademaacutes la disminucioacuten de un 319 en potencia maacutexima de disentildeo para
equipos de climatizacioacuten arrojado en este estudio y un promedio de 33 en
reduccioacuten en consumo energeacutetico en los dos casos de climatizacioacuten propuestos
se puede inferir que los materiales cambio fase es capaz de contribuir a eficiencia
energeacutetica
412 Inversioacuten inicial y costos operativos en sistemas de calefaccioacuten con y sin PCM
Se hizo un anaacutelisis de los principales costos asociados a la adquisicioacuten de
los equipos y operacioacuten de eacutestos No se consideraraacute valor residual o de
salvamiento Para poder comparar la vida uacutetil a usar seraacute de 10 antildeos
Al obtener los valores de consumos energeacuteticos en las simulaciones de
los casos propuestos se visualiza una aproximacioacuten en demostrar el beneficio
econoacutemico que aporta los PCM a los sistemas activos Vease en figura 42
En el caso 1 sistema de calefaccioacuten a lentildea se observoacute una disminucioacuten
en los costos de operacioacuten anual de un 341 (de $88656 a un $58416)
($ 24 por kWh) (BES 2017) y en el caso 2 sistema de climatizacioacuten por bomba
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calor se observoacute una disminucioacuten en los costos de operacioacuten anual de un 344
(de $72928 a un $47795) ($ 106 por kWh) (BES 2017)
Figura 42 Inversioacuten inicial y costos operativos sistema climatizacioacuten con y sin
PCM en vivienda estudio
Fuente Elaboracioacuten Propia
42 Propuesta de aplicacioacuten PCM a caso base como sistema de actualizacioacuten
Seguacuten los resultados del comportamiento energeacutetico de la vivienda en
estudio con y sin PCM Se identificoacute un enfoque diferente e innovador para
sistemas pasivos de acondicionamiento ambiental o el aporte energeacutetico
significativo de los PCM a los sistemas activos para mantener su temperatura
constante en su operacioacuten
Una correcta ubicacioacuten del PCM a los muros exteriores de una vivienda en
estudio mostro significativamente un ahorro de energiacutea con respecto al caso
base esto se debe a la colocacioacuten del PCM en la particioacuten interna en los muros
exteriores emplazamiento de la vivienda tipo de encapsulacioacuten y orientacioacuten de
los muros con respecto al sol
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
Sin PCM PCM 22HC Inversion
Mil
es d
e p
eso
sInversion inicial y costos operativos en sistema
climatizacion
Caso 1 Sistema Calefaccion Lentildea Caso 2 Sistemas Bomba de Calor
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
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El tipo de encapsulacioacuten de acuerdo al panel constructivo mostro que debe
ser macro encapsulacioacuten con materialidad de aluminio para aumentar la
conductividad teacutermica de los materiales cambio fase que era una de sus
desventajas teacutecnicas
A traveacutes de este anaacutelisis se identificoacute que material de cambio de fase se
debe seleccionar de acuerdo a la aplicacioacuten pasiva en vivienda en estudio
considerando variables de seleccioacuten como cineacuteticas fiacutesicas quiacutemicas teacutermicas
y econoacutemicas
Finalmente se observoacute que es posible maximizar la eficiencia de la
energiacutea en mantener la temperatura constante en los espacios interiores con el
aporte energeacutetico de los sistemas pasivos cuando se usa materiales cambio fase
en los muros exteriores de la vivienda en estudio Ademaacutes el PCM con
temperatura de fusioacuten cercana a la temperatura confort logra un mayor
rendimiento energeacutetico seguacuten su emplazamiento y reduce considerablemente los
costos de operacioacuten de un sistema climatizacioacuten activo aportaacutendole energiacutea
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
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CONCLUSIONES
El trabajo reciente propone un anaacutelisis de optimizacioacuten del PCM a una
vivienda en estudio como una aplicacioacuten de actualizacioacuten a sistemas pasivos y
se evaluoacute el comportamiento energeacutetico de dos sistemas activos de climatizacioacuten
mediante el uso del software EnergyPlus
En este estudio se describe la seleccioacuten de materiales de cambio fase a
utilizar la encapsulacioacuten adecuada en base a la aplicacioacuten y propiedades de
disentildeo
En el anaacutelisis del comportamiento energeacutetico de la vivienda en estudio se
observoacute que el PCM adecuado seguacuten la temperatura de fusioacuten estaacute en el rango
de 18 a 22 degC cercano a la temperatura de confort teacutermico Para este estudio se
escogioacute el PCM 22HC ya que su comportamiento es ideal para la vivienda en
estudio arrojando un 319 (de 263 kW a un 179 kW) de reduccioacuten de
potencias maacuteximas de disentildeo en climatizacioacuten De acuerdo al PCM escogido se
analizoacute el comportamiento del consumo energeacutetico en dos sistemas de
climatizacioacuten Caso 1 Sistema calefaccioacuten a lentildea mostro una reduccioacuten del
consumo energeacutetico de 341 (de 3694 kWh a un 2434 kWh) Para el segundo
caso se evaluoacute un sistema de bomba de calor multisplit al igual que en el caso
anterior el material optimo corresponde al PCM 22HC se observa una
disminucioacuten de consumo energeacutetico de un 344 (de 688 kWh a un 451 kWh) en
comparacioacuten al caso base lo que implica una notable reduccioacuten de los consumos
energeacuteticos en la estacioacuten friacutea Ademaacutes junto con los valores de consumo
energeacutetico se evaluoacute los costos de operacioacuten anual arrojando una disminucioacuten
promedio de 34 debido al aporte de los PCM
En general estos resultados sostienen firmemente que es posible mejorar
la eficiencia del ahorro energeacutetico cuando los PCM se instala en los muros
exteriores maximizando los ahorros energeacuteticos Por lo tanto para lograr la
optimizacioacuten de la envolvente de la vivienda con aplicacioacuten PCM la temperatura
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de fusioacuten fue de 22 deg C y el macro encapsulamiento es de material de aluminio
mejorando su transmitancia teacutermica del flujo de calor en los paneles
constructivos dando como resultado una adecuada actualizacioacuten a la aplicacioacuten
y a la instalacioacuten de los PCM a la vivienda en estudio ubicada en Concepcioacuten
Chile
Los costos de implementacioacuten en la tecnologiacutea pasiva como los PCM tiene
un elevado valor debido al costo del transporte (Alemania) se podriacutea justificar
encargando por mayor estos insumos y aplicarlo a un lote de viviendas
Es importante aplicar el PCM optimizado considerando el enfoque y
variables de disentildeo como la condicioacuten climaacutetica temperatura de fusioacuten de PCM
encapsulamiento y irradiacioacuten solar
La implementacioacuten de esta tecnologiacutea demuestra que aporta en la
reduccioacuten de material particulado en zonas criacuteticas en contaminacioacuten y las
emisiones de CO2 aportando al medio ambiente
Se deberaacute tener en cuenta que las curvas de entalpia y temperatura de los
PCM tanto para refrigeracioacuten y calefaccioacuten deben ser lo maacutes cercana posible de
lo contrario se produciriacutea una histeacuteresis o subenfriamiento y afectariacutea
considerablemente el rendimiento del PCM en su aplicacioacuten
Como investigacioacuten adicional queda por explorar la optimizacioacuten de PCM
aplicado a paredes exteriores con persianas de acristalamiento o invernaderos
adosados al poseer mayor captacioacuten de energiacutea solar tendraacute un mayor
almacenamiento energeacutetico y retraso teacutermico en los muros aplicado con PCM y
obtener una segmentacioacuten de los datos climaacuteticos por zonas para investigar el
comportamiento energeacutetico en aplicaciones pasivas
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ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
10
Diego Sarabia Meacutendez
Figura 41 (a) Potencia maacutexima disentildeo con y sin PCM en vivienda estudio 64
Figura 41 (b) Caso 1 - Consumo energeacutetico en calefaccioacuten Lentildea con y sin
PCM en vivienda estudio 65
Figura 41 (c) Caso 2 - Consumo energeacutetico Bomba de calor con y sin PCM
en vivienda estudio 66
Figura 42 Inversioacuten inicial y costos operativos sistema climatizacioacuten con y sin
PCM en vivienda estudio 68
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
INDICE DE TABLAS
Tabla 21 Ventajas e inconvenientes de los PCM inorgaacutenicos 28
Tabla 22 Temperatura de fusioacuten de algunas sales hidratadas 29
Tabla 23 Ventajas e inconvenientes de los PCM orgaacutenicos 30
Tabla 24 Temperatura de fusioacuten de algunas parafinas 31
Tabla 25 Temperatura de fusioacuten de algunos aacutecidos grasos 32
Tabla 26 Clasificacioacuten de los PCMs 32
Tabla 27 Ventajas e inconvenientes de las microcapsulas 38
Tabla 28 Ventajas e inconvenientes de las Macrocaacutepsulas 39
Tabla 31 Resumen superficies de los distintos espacios vivienda en estudio
44
Tabla 32 Cumplimiento de la envolvente elementos constructivos de la
vivienda en estudio 44
Tabla 33 Especificaciones teacutecnicas de PCM a utilizar 52
Tabla 34 Clasificacioacuten de los edificios seguacuten su destino superficie edificada y
nuacutemero de pisos 58
Tabla 35 Resistencia al fuego para diferentes elementos de construccioacuten 59
Tabla 36 Tabique perimetral estructura madera en vivienda en estudio 60
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
INTRODUCCION
Debido al avance de la ciencia y la tecnologiacutea la calidad de vida y los
sistemas de produccioacuten en la industria han mejorado lo que ha aumentado el
consumo mundial de energiacutea en paiacuteses industrializados y las economiacuteas
emergentes Este aumento en el consumo de energiacutea tiene efectos nocivos sobre
el medio ambiente como el aumento de las emisiones de gases a la atmoacutesfera
entre otros Por lo tanto los paiacuteses estaacuten promoviendo cada vez maacutes nuevas
poliacuteticas energeacuteticas y promoviendo dos tipos de acciones para reducir las
emisiones entre otras aumentar la proporcioacuten de energiacutea renovable y promover
medidas de ahorro y eficiencia energeacutetica Debido a las crecientes
preocupaciones sobre el consumo de energiacutea se necesita urgentemente maacutes
investigacioacuten
Entre las medidas de eficiencia energeacutetica surge la necesidad de estudiar
el uso de energiacutea solar a traveacutes de la aplicacioacuten de materiales de cambio de fase
(PCM seguacuten sus siglas en ingleacutes Phase Change Materials) Estudios recientes
sobre materiales de cambio de fase han demostrado que hay varios aspectos
para mejorar en la aplicacioacuten y caracterizacioacuten de estos materiales (Anisur
2013)
Actualmente el sector de la construccioacuten contribuye considerablemente al
consumo total de energiacutea y las emisiones de gases de efecto invernadero a la
atmoacutesfera Los edificios consumen maacutes del 40 de la energiacutea primaria del
mundo que es responsable del 30 de las emisiones de gases de efecto
invernadero (Thorpe 2011)
A nivel local el sector residencial es responsable de las altas demandas
energeacuteticas equivalente a 23 del consumo energeacutetico nivel paiacutes Del parque
habitacional existente en Chile 75 fue construido sin consideraciones teacutermicas
y de eficiencia energeacutetica dicha situacioacuten provoca que el usuario asuma el costo
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
13
Diego Sarabia Meacutendez
del consumo energeacutetico en calefaccioacuten y refrigeracioacuten para mantener la vivienda
en zona confort (Wegertseder 2015)
Tradicionalmente el consumo de energiacutea se reduce mediante el uso de
aislamiento teacutermico de alta calidad en la envolvente de un edificio para reducir la
transferencia de calor entre el interior y exterior (Zhou D Tian Y Qu Y amp
Chen Y K 2016) Un aumento en la eficiencia de los sistemas de calefaccioacuten
ventilacioacuten y aire acondicionado (HVAC) tambieacuten ha sido responsable de una
reduccioacuten en el consumo de energiacutea sin embargo las mejoras en la eficiencia
energeacutetica no deben limitarse a estos enfoques
Un estudio de investigacioacuten describioacute que el aumento de la inercia teacutermica
del edificio reduce la cantidad de energiacutea utilizada para calefaccioacuten y refrigeracioacuten
(Ling H Chen C Qin H Wei S Lin J Li N) ya que reduce las
fluctuaciones en la temperatura interior ayudando a mantener el espacio interno
dentro del rango de confort teacutermico y reduciendo la necesidad de utilizar sistemas
de aire acondicionado
El almacenamiento de energiacutea se puede implementar mediante calor
sensible aumentando y disminuyendo la temperatura de los recubrimientos de
edificios o mediante calor latente Con la inclusioacuten de materiales de cambio de
fase conduce a una mayor densidad de energiacutea teacutermica Los materiales de
cambio de fase estaacuten asociados con el almacenamiento de calor latente (LHS)
con su principal ventaja de tener una alta densidad de almacenamiento a
temperatura constante Por lo tanto los materiales de cambio de fase han
demostrado que su almacenamiento de energiacutea teacutermica latente se puede utilizar
para calentar y enfriar a sistemas de construccioacuten pasivos o activos (B Zalba J
Marin L Cabeza y H Mehling 2003)
Investigaciones maacutes recientes han estudiado sus propiedades fiacutesicas
quiacutemicas cineacuteticas y especialmente teacutermicas para seleccionar el material de
cambio de fase maacutes adecuado para la presente investigacioacuten (Ramiacuterez A
Santos A amp Gonzaacutelez N 2012)
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
El intereacutes sostenido en comprender la importancia de los materiales de
cambio fase llevoacute a investigar el disentildeo del elemento constructivo con los PCM
incorporados para reducir la demanda energeacutetica de la vivienda en estudio y
contribuir a mejoras de condiciones de habitualidad Aquiacute se utilizoacute la
herramienta simulacioacuten Energy Plus para evaluar el rendimiento teacutermico de una
vivienda en estudio ubicada en la ciudad de Concepcioacuten de la regioacuten del Biacuteo-Biacuteo
Chile
En este estudio se demostroacute que es posible maximizar la eficiencia del
ahorro de energiacutea en sistemas activos de climatizacioacuten al optimizar el PCM
aplicado a las paredes exteriores Se identificoacute que los materiales de cambio de
fase son una contribucioacuten a la implementacioacuten del acondicionamiento pasivo
debido a su gran almacenamiento energeacutetico
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
CAPITULO I ENUNCIADO DE LA INVESTIGACIOacuteN
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
11 Planteamiento del problema
En la actualidad las necesidades energeacuteticas a nivel mundial han
aumentado de manera significativa por distintas razones Hoy en diacutea los edificios
consumen maacutes del 40 de la energiacutea primaria del mundo que son responsables
del 30 de las emisiones de gases de efecto invernadero (Thorpe 2011)
A nivel local el sector residencial es responsable de las altas demandas
energeacuteticas equivalente a 23 del consumo energeacutetico nivel paiacutes Del parque
habitacional existente en Chile 75 fue construido sin consideraciones teacutermicas
y de eficiencia energeacutetica dicha situacioacuten provoca que el usuario asuma el costo
del consumo energeacutetico para mantener la vivienda en zona confort (Wegertseder
2015)
Se estima que el sector de la construccioacuten es el responsable de generar
el 33 del total de emisiones de gases de efecto invernadero (MINVU 2018)
A traveacutes de un estudio realizado el antildeo 2019 por la Caacutemara Chilena de
la Construccioacuten sobre los usos de la energiacutea en el sector residencial declara que
el 53 del consumo total de la vivienda chilena es destinado a calefaccioacuten (CDT
2019)
Una forma eficiente de reducir el consumo de energiacutea para calefaccioacuten o
refrigeracioacuten en los espacios es aumentar la inercia teacutermica de un edificio De
esta manera las temperaturas interiores son menos sensibles a las variaciones
de la temperatura exterior y se requiere menos energiacutea para mantenerlas en el
rango de confort teacutermico Un edificio con una estructura de marco de concreto
tendraacute una mayor inercia teacutermica que un edificio con una estructura de marco de
acero o madera (Soares N Costa J J Gaspar A R amp Santos P 2013) Una
forma de aumentar la inercia teacutermica de un edificio es utilizar el almacenamiento
de calor latente (LHS) que es la energiacutea que almacena un material cuando sufre
un cambio de fase (Akeiber H Nejat P Majid M Z A Wahid M A
Jomehzadeh F Zeynali Famileh IZaki S A 2016)
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
El material de cambio de fase (PCM) es un tipo de material que
experimenta un cambio de fase en este caso de liacutequido a soacutelido a una
temperatura dentro del rango de confort teacutermico Este tipo de material tiene la
capacidad de almacenar grandes cantidades de energiacutea en comparacioacuten con los
materiales de construccioacuten tradicionales que solo almacenan calor sensible Por
ejemplo una pared que contiene PCM con 25 mm de espesor almacena
aproximadamente la misma energiacutea que una pared de concreto con 420 mm de
espesor (Al-Saadi S N amp Zhai Z 2013) Los PCM tienen un gran potencial
para aumentar la inercia teacutermica de un edificio debido a su gran LHS por lo tanto
son especialmente uacutetiles en edificios de construccioacuten livianas en seco como
estructuras reticulares en madera o acero galvanizados (Marin P Saffari M de
Gracia A Zhu X Farid M M Cabeza L F amp Ushak S 2016) Esto permite
que el edificio tenga menor peso un aacuterea uacutetil mayor y auacuten mantenga una alta
inercia teacutermica
Cuando los PCM cambian su estado de liacutequido a soacutelido liberan calor
latente y cuando cambian de soacutelido a liacutequido absorben calor latente Cuando este
proceso ocurre a una temperatura entre 19-27 degC el material contribuye a
aumentar el confort teacutermico porque ayuda a mantener la temperatura interna
dentro de este rango Durante el diacutea cuando hay demasiadas ganancias de
radiacioacuten solar este material cambia su fase de soacutelido a liacutequido absorbiendo
calor y evitando un aumento significativo de la temperatura interior Por la noche
cuando la temperatura exterior baja el material cambia su fase de liacutequido a
soacutelido liberando calor y evitando una gran disipacioacuten de energiacutea en el interior de
la vivienda (Jamil H Alam M Sanjayan J amp Wilson J 2017)
Durante el verano puede ocurrir un sobrecalentamiento en el muro y
hacer que se use un PCM que se derrita a altas temperaturas (alrededor de
26 degC) ya que evitaraacute que la temperatura de una habitacioacuten elevaacutendose por
encima del rango de confort teacutermico Si el objetivo es la estabilizacioacuten de la
temperatura interior en la zona de confort un PCM que se derrita a 23 degC deberiacutea
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
18
Diego Sarabia Meacutendez
ser la mejor opcioacuten En el invierno puede ser necesario evitar que la temperatura
de una habitacioacuten baje por debajo del rango de confort teacutermico y en este caso
se recomienda un PCM que solidifique alrededor de 21 degC (Soares N Gaspar
A R Santos P amp Costa J 2014)
Esta tecnologiacutea no solo tiene el potencial de ahorrar cantidades
considerables de energiacutea y emisiones de CO2 sino que tambieacuten se puede utilizar
para aprovechar los precios pico de electricidad utilizando las unidades de aire
acondicionado cuando hay una menor demanda en la red eleacutectrica Por ejemplo
en invierno la unidad de aire acondicionado (AC) podriacutea funcionar durante la
noche produciendo calor que seriacutea absorbido por el tablero PCM y luego liberado
por eacutel durante el diacutea cuando los precios de la electricidad son mucho maacutes altos
(Devaux P amp Farid M 2017) Esto tambieacuten como la ventaja de evitar el ruido y
las corrientes de aire causadas por las unidades de CA durante las horas de
trabajo de una oficina
Aunque esta tecnologiacutea tiene un gran potencial en almacenar energiacutea
con respecto a otros materiales existe el problema de la baja transferencia de
calor porque estos materiales generalmente tienen baja conductividad teacutermica lo
que hace que la absorcioacuten y liberacioacuten de calor por parte del PCM sea mucho
maacutes difiacutecil (Fan L amp Khodadadi J M 2011)
Para aprovechar la gran capacidad de almacenamiento de calor latente
la temperatura de una zona debe estar cerca de la temperatura de cambio de
fase de lo contrario un PCM solo almacena calor sensible que es insignificante
en comparacioacuten al calor latente (Chwieduk 2013)
Investigadores concluyen sobre acondicionamiento teacutermico en
envolventes de viviendas utilizando materiales de cambio de fase que la
implementacioacuten adecuada de los PCM en una edificacioacuten puede un 35 reducir
el consumo energeacutetico y por lo tanto es posible usar equipos de
acondicionamiento teacutermico de menor potencia e incluso prescindir de ellos (Bello
R E Muntildeoz M M Vasco C 2015)
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
En el desarrollo de aplicaciones para los PCM un investigador disentildeoacute un
muro con material de cambio de fase y para probar su funcionamiento utilizoacute dos
habitaciones ideacutenticas En la primera habitacioacuten los muros teniacutean un enlucido de
yeso normal y en la segunda habitacioacuten el muro poseiacutea una placa de yeso
revestido con micro encapsulacioacuten de PCM (50 butil estearato y 48 palmitato
de butilo) Resultoacute que la habitacioacuten con material cambio de fase una reduccioacuten
energeacutetica de 22 (Scalat S Banu D Hawes D Paris J Haghighata F
Feldman D 1996)
Los investigadores a nivel mundial han creado estrategias para
solucionar el consumo energeacutetico En Chile auacuten no se analiza en forma
sistemaacutetica considerando que seriacutea de gran ayuda para disminuir el consumo
energeacutetico residencial
Por todo lo anteriormente mencionado se establece que esta
investigacioacuten estaraacute orientada al estudio de materiales con cambio de fase
simulando su comportamiento teacutermico de una vivienda en estudio ubicada en la
ciudad de Concepcioacuten de la regioacuten del Biacuteo-Biacuteo utilizando el software Energy Plus
12 Preguntas de investigacioacuten
iquestEs posible disminuir la demanda energeacutetica de una vivienda en estudio
incorporando materiales con cambio de fase
iquestQueacute material PCM es conveniente utilizar en los muros de la vivienda en
estudio
iquestQueacute comportamiento tendraacuten los PCM en la simulacioacuten
13 Hipoacutetesis
Se puede mejorar la habitabilidad y reducir un 30 la demanda energeacutetica
de una vivienda en estudio en la ciudad de Concepcioacuten mejorando el
almacenamiento teacutermico de sus muros incorporando material con cambio de fase
(PCM)
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
20
Diego Sarabia Meacutendez
14 Objetivos
141 Objetivo general
Proponer una metodologiacutea de evaluacioacuten en funcioacuten de la realidad local
que permitiraacute analizar la potencialidad en aplicar los materiales cambio de fase
en las construcciones chilenas contribuyendo a mejorar las condiciones de
habitabilidad
142 Objetivos especiacuteficos
Identificar materiales con cambio de fase (PCM) utilizados como estrategia
de calefaccioacuten pasiva en edificacioacuten Con la validacioacuten de todos los
reglamentos en Chile
Definir el sistema constructivo del muro exterior en cuanto a la ubicacioacuten
del PCM
Definir materiales con cambio de fase en relacioacuten de sus propiedades
teacutermicas para realizar simulacioacuten energeacutetica
Definir metodologiacutea de caacutelculo y estimar ahorros energeacuteticos para la zona
en funcioacuten del material base
Obtener simulaciones de demanda energeacutetica para la vivienda en estudio
con y sin materiales de cambio de fase incorporados en sus muros
mediante el software Energy Plus
Optimizar el disentildeo de la solucioacuten constructiva con PCM en relacioacuten a los
datos de la zonificacioacuten
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
CAPITULO II MARCO TEOacuteRICO
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
21 Marco Teoacuterico
A continuacioacuten se nombraraacute conceptos esenciales que aborda la
investigacioacuten tales como aislacioacuten teacutermica conductividad teacutermica confort
teacutermico y Inercia teacutermica
Cabe de destacar que la inercia teacutermica juega un papel importante en los
sistemas de calefaccioacuten pasiva ya que el retraso teacutermico puede ser mayor o
menor dependiendo el espesor y materialidad
La inercia teacutermica permite ir liberando el calor acumulado en los elementos
compuestos por materiales pesados en la vivienda de manera tal que durante
la noche cuando la temperatura desciende esta baja sea amortiguada por el calor
cedido
En el verano la envolvente se encuentra expuesta a la radiacioacuten solar y al
soleamiento por lo tanto debe ser capaz de almacenar el calor obtenido desde
el exterior y asiacute evitar que la temperatura en el interior del recinto sea elevada
durante el diacutea generando una peacuterdida de confort (CCHC 2010)
22 Materiales con cambio de fase (PCM)
Un PCM es una sustancia capaz de almacenar y liberar energiacutea del medio
que le rodea manteniendo la temperatura constante durante la transferencia de
calor Este intercambio de energiacutea se denomina calor latente de un material y se
produce durante el cambio de fase del mismo El intereacutes de estos materiales es
que durante el cambio de fase la temperatura media se mantiene constante
mientras el material absorbe o libera energiacutea durante la etapa de fusioacuten o
solidificacioacuten del material Esto supone una mayor densidad energeacutetica en este
proceso respecto a un intercambio por calor sensible
En una investigacioacuten sobre PCM afirma que estos mediante su calor
latente de fusioacuten almacenan de 5 a 14 veces maacutes calor por unidad de volumen
que materiales por almacenamiento de calor sensible como el agua albantildeileriacutea
o rocas entre otras (Sharma 2009)
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
23
Diego Sarabia Meacutendez
Para la investigacioacuten se estudioacute materiales cambio fase de estado liacutequido-
solido ya que aunque la cantidad de energiacutea almacenada es inferior que entre
otros cambios de estado (solido-gas) la variacioacuten de volumen del estado es
menor
221 Funcionamiento
La mejor forma para explicar el funcionamiento de estos materiales es
estudiando el proceso de cambio de fase del agua en estado liacutequido el agua va
aumentando su temperatura progresivamente hasta alcanzar los 100degC Una vez
alcanza esta temperatura empieza su cambio de estado en el cual absorberaacute
calor pero mantendraacute una temperatura constante de 100degC hasta que finalice su
cambio de fase y todo el liacutequido se haya convertido en vapor De manera inversa
ocurre cuando la temperatura del agua disminuye hasta alcanzar los 0degC En este
caso el agua empezaraacute a liberar calor y durante este proceso mantendraacute su
temperatura constante en 0degC hasta que complete su solidificacioacuten y todo el
liacutequido se haya convertido en hielo (B Zalba J Marin L Cabeza y H Mehling
2003)
En la Figura 21 se observa coacutemo la temperatura se mantiene constante
en 0degC formando una recta horizontal durante su cambio de fase y posteriormente
en 100degC hasta que se convierte en vapor
Figura 21 Diagrama de proceso de cambio de fase Hielo ndash Vapor
Fuente (B Zalba J Marin L Cabeza y H Mehling 2003)
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
24
Diego Sarabia Meacutendez
Del mismo modo actuacutean los PCM cada uno tiene su propia temperatura
de cambio de fase y gracias a las variaciones de temperatura entre el diacutea y la
noche ocurren los ciclos de fusioacuten y solidificacioacuten de estos materiales resultando
en la absorcioacuten maacutexima de energiacutea durante el diacutea cuando las temperaturas
suben y la disipacioacuten de eacutesta en la noche cuando la temperatura ambiente baja
La energiacutea utilizada para cambiar el estado del material dado que la temperatura
de cambio de fase es aproximada a la temperatura ambiente de confort deseada
daraacute lugar a un clima interior maacutes estable y coacutemodo asiacute como tambieacuten reduciraacute
las cargas de enfriamiento y calefaccioacuten en horas pico especialmente en
aquellas edificaciones con baja masa teacutermica (S E Kalnaes and B P Jelle
2015)
222 Propiedades
A continuacioacuten se describiraacuten las propiedades maacutes relevantes que definen un
material de cambio de fase (Oroacute 2012)
a) Propiedades Termofisica
Temperatura de fusioacuten (Tf) en el rango de funcionamiento seguacuten la
aplicacioacuten
Alto calor latente de fusioacuten (ΔHf) por unidad de volumen
Alto calor especiacutefico para proporcionar calor sensible adicional
significativo
Alta conductividad teacutermica en fase soacutelida y liacutequida (buena transferencia de
calor)
Baja variacioacuten de volumen en el cambio de fase y baja presioacuten de vapor a
la temperatura de funcionamiento
Fusioacuten congruente del material de cambio de fase con cada ciclo de
solidificacioacutenfusioacuten con el miacutenimo sub-enfriamiento
Cambio de fase ciclo continuo con termino de vida uacutetil
Alta densidad
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
25
Diego Sarabia Meacutendez
b) Propiedades quiacutemicas
Ciclo de solidificacioacutenfusioacuten reversible y completo
Baja degradacioacuten despueacutes de un elevado nuacutemero de ciclos de
fusioacutensolidificacioacuten
No corrosivo para los materiales encapsulados
No toacutexico no inflamable y no explosivo
c) Econoacutemicas
Abundante y disponible
Rentable en relacioacuten al ahorro energeacutetico y costos del material
Faacutecil reciclaje y tratamiento quiacutemicos
223 Almacenamiento de energiacutea teacutermica
La necesidad de almacenamiento energeacutetico y de buscar formas de
acondicionamiento pasivo es lo que inspira a la investigacioacuten a centrarse en el
almacenamiento teacutermico Es fundamental para el desarrollo del paiacutes disminuir la
demanda energeacutetica sin sacrificar el confort (PRIEN 2002)
En esta seccioacuten de la investigacioacuten se daraacute a conocer las formas de
almacenamiento teacutermico existentes y dando eacutenfasis al almacenamiento
energeacutetico por calor latente donde pertenecen los materiales de cambio fase
(PCM)
El equilibrio termodinaacutemico de los PCM se debe principalmente a los
intercambios de calor con el entorno externo El tiempo para que el PCM alcance
el nuevo equilibrio termodinaacutemico es el tiempo necesario para que el calor sea
intercambiado con el espacio a climatizar Los paraacutemetros baacutesicos de los
materiales de cambio de fase incluyen seguacuten ecuacioacuten (1)
bull Capacidad caloriacutefica [J kg]
119876 = int 119862119901119904 119889119905 + 119862119898 + int 119862119901119897 119889119905 cong 119862119901119904(119879119898 minus 1198791) + 119862119898 + 1198792
119879119898
119879119898
1198791
119862119901119897(1198792 minus 1198791)
Ec 1
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
26
Diego Sarabia Meacutendez
Donde 119862119901119904 o 119862119901119897 Calor especiacutefico soacutelido y liacutequido kJ(kg times K) 119862119898 Calor
de transformacioacuten de fase (fusioacuten) kJ(kg times K) Tm - temperatura de transicioacuten
de fase (fusioacuten) T1 T2 rango de temperatura de funcionamiento de operacioacuten
224 Clasificacioacuten
Actualmente existe un gran nuacutemero de materiales cambio fase que han
sido investigados debido a que poseen una temperatura y un alto calor latente
de fusioacuten dentro del rango operacional deseado sin embargo exceptuando por
esta caracteriacutestica la mayoriacutea de estos materiales no satisfacen los otros
criterios necesarios para un medio de almacenamiento adecuado (Sharma
2009)
Aquellos que siacute responden a estas prestaciones y se encuentran disponibles en
el mercado pueden ser clasificados en tres grandes grupos orgaacutenicos
inorgaacutenicos y euteacutecticos (V Tyagi amp D Buddhi 2007)
Figura 22 Clasificacioacuten de los Materiales Cambio Fase
Fuente Elaboracioacuten Propia
Materiales Cambio Fase
Organico
Parafina Acido Graso
Inorganico
Sal Hidratada
Metalico
Eutectico
Inorganico -Inorganico
Inorganico -Organico
Organico -Organico
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
27
Diego Sarabia Meacutendez
Los materiales de cambio de fase liquido-solido maacutes comunes estaacuten en el
rango de temperaturas entre 20degC y 80 degC son las ceras de parafina sales
hidratadas mezclas euteacutecticas y aacutecidos grasos
Las ceras de parafina estaacuten disponibles en el mercado pero su calor
latente (hasta 200 kJkg) es solo la mitad del de las sales hidratadas
Las sales hidratadas son maacutes econoacutemicas que las ceras de parafina y
tambieacuten estaacuten disponibles en el mercado pero tienen algunas desventajas como
las bajas temperaturas de fusioacuten o la corrosioacuten en contacto con metales
En las mezclas euteacutecticas intervienen dos componentes con punto de
fusioacuten (solidificacioacuten) maacutes bajo que el que poseen los compuestos
individualmente Esto hace que la mezcla alcance el punto de congelacioacuten maacutes
bajo posible y ambos se solidifiquen a esa temperatura euteacutectica (Ramiacuterez A
Santos A amp Gonzaacutelez N 2012)
Los PCM tienen una significativa capacidad de almacenar calor por medio
del cambio de estado pero es necesario tener en cuenta los paraacutemetros de
disentildeo del problema y las ventajas y desventajas de los diferentes tipos de
materiales para determinar cuaacuteles son los maacutes apropiados de utilizar en la
construccioacuten dependiendo de sus diferentes caracteriacutesticas y maacutes importante
aun dependiendo de si su temperatura de cambio de fase se acerca a la
temperatura de confort
2241 PCM inorgaacutenicos sales hidratadas
Seguacuten varios investigadores estos materiales fueron muy estudiados en
las primeras etapas de investigacioacuten de PCM por su bajo costo y su capacidad
de almacenamiento de grandes cantidades de calor por unidad de volumen en
comparacioacuten con las sustancias orgaacutenicas que las convierten en candidatos
idoacuteneos para sus muacuteltiples aplicaciones en el aacutembito del almacenamiento de
energiacutea
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
28
Diego Sarabia Meacutendez
La buacutesqueda de sustancias con temperatura de cambio de fase proacutexima a
la temperatura ambiente no ha encontrado buenos candidatos dentro de este
grupo y las investigaciones se han dirigido maacutes hacia las sustancias orgaacutenicas
Tabla 21 Ventajas e inconvenientes de los PCM inorgaacutenicos
Ventajas Inconvenientes
Econoacutemicos Problemas en el encapsulado y preparacioacuten
del material
Elevada densidad de
almacenamiento teacutermico
Para un uso prolongado necesita de aditivos
Elevada conductividad teacutermica Son susceptibles de sub enfriamiento
(Inestables)
Temperatura de cambio de fase
claramente definida
Debido a la inestabilidad teacutermica y histeacuteresis
se debe aplicar aditivos para evitar una fusioacuten
incongruente en su aplicacioacuten donde puede
reducir su capacidad de almacenamiento de
calor latente
No inflamables Potencialmente corrosivos con algunos
metales
Reciclables y biodegradables
Fuente (Ramiacuterez A Santos A amp Gonzaacutelez N 2012)
Las sales hidratadas tienen algunas propiedades atractivas como los
elevados valores de calor latente no son inflamables y su elevado contenido
hiacutedrico significa que son baratos y muy disponibles Sin embargo sus
caracteriacutesticas de inadaptacioacuten (corrosioacuten inestabilidad dificultades de re-
solidificacioacuten y tendencia al sub enfriamiento) han implicado la realizacioacuten de
estudios hasta la actualidad para poder manejar estas desventajas y realizar su
correcta aplicacioacuten Necesitan por tanto un contenedor para utilizarlos como
aditivos de otros materiales (Ramiacuterez A Santos A amp Gonzaacutelez N 2012)
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
29
Diego Sarabia Meacutendez
Tabla 22 Temperatura de fusioacuten de algunas sales hidratadas
PCM Temperatura
fusioacuten (ordmC)
Q fusioacuten (kJkg)
KFmiddot4H2O 185 231
Na2SO4middot10H2O 324 254
CaCl2middot6H2O 24ndash29 192
CaCl2middot6H2O+Nucleador+MgCl2middot6H2O 23 -
Fuente (Ramiacuterez A Santos A amp Gonzaacutelez N 2012)
En la tabla 21 se muestran algunas ventajas y desventajas de los PCM
inorgaacutenicos y en la tabla 22 se muestran las temperaturas de fusioacuten de las sales
hidratadas que permiten determinar cuaacuteles son las oacuteptimas para utilizar en
aislacioacuten (las cuales su temperatura de fusioacuten se acerca a la temperatura de
confort)
2242 PCM orgaacutenicos parafinas aacutecidos grasos y mezclas orgaacutenicas
Los PCM orgaacutenicos poseen unas caracteriacutesticas que los hacen muy uacutetiles
en su aplicacioacuten en determinados elementos constructivos para almacenamiento
de calor latente
Investigadores determinaron que son maacutes estables quiacutemicamente que las
sustancias inorgaacutenicas funden y solidifican convenientemente sin necesidad de
agentes nucleadores y no sufren sub-enfriamiento o histeacuteresis (Gawron 1981)
No obstante se ha demostrado que son maacutes compatibles y adecuados para la
adsorcioacuten en varios materiales constructivos Aunque el costo inicial en materia
prima de un PCM orgaacutenico es superior al de un inorgaacutenico su costo final es
competitivo
Sin embargo estos materiales tienen otras desventajas la maacutes
significativa es que son inflamables y que emiten gases nocivos durante su
combustioacuten Otros problemas menos extendidos son las reacciones con los
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
30
Diego Sarabia Meacutendez
productos de la hidratacioacuten en hormigoacuten (hidroacutexido de calcio) envejecimiento por
oxidacioacuten y cambios de olor
Muchos de estos inconvenientes se han eliminado Se ha visto que el
envejecimiento por oxidacioacuten de los PCM puede inhibirse utilizando un oxidante
adecuado Se estaacute investigando tambieacuten en la emisioacuten de gases y la
inflamabilidad de algunos de los PCM maacutes efectivos para establecer un radio de
ignicioacuten Tambieacuten se estaacute investigando sobre la compatibilidad de los PCM con
el hormigoacuten (Ramiacuterez A Santos A amp Gonzaacutelez N 2012)
En la tabla 23 se muestran algunas ventajas y desventajas de los PCM
orgaacutenicos y en la tabla 24 y 25 se muestran las temperaturas de fusioacuten de las
parafinas y aacutecidos grasos que permiten determinar cuaacuteles son las oacuteptimas para
utilizar en aislacioacuten (las cuales su temperatura de fusioacuten se acerca a la
temperatura de confort)
Tabla 23 Ventajas e inconvenientes de los PCM orgaacutenicos
Ventajas Inconvenientes
Faacuteciles de usar Calor latente y entalpiacutea maacutes bajos
Estabilidad teacutermica y quiacutemica Baja conductividad teacutermica
No sufren subenfriamiento Amplio rango de fusioacuten
No necesitan agente nucleador para
solidificar
Inflamables
No corrosivos Reaccioacuten potencial con hormigoacuten
Reciclables y ecoloacutegicamente inocuos Alto costo
Compatibilidad con materiales de construccioacuten convencionales
Fuente (Ramiacuterez A Santos A amp Gonzaacutelez N 2012)
Dentro de los PCM orgaacutenicos se pueden encontrar tres grupos de
sustancias diferentes parafinas aacutecidos grasos y mezclas orgaacutenicas A
continuacioacuten se presenta una pequentildea descripcioacuten de estos (Ramiacuterez A
Santos A amp Gonzaacutelez N 2012)
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
31
Diego Sarabia Meacutendez
22421 Parafinas
Las parafinas son esencialmente un alcalino solido refinado Muestran dos
rangos de enfriamiento un rango maacutes estrecho para un breve periodo de tiempo
y un rango maacutes extenso que ocurre durante un periodo maacutes amplio Ambos se
interpretan como una transicioacuten de liacutequido a amorfo-soacutelida y amorfo-solida a
cristalino-solida respectivamente Parte del calor latente total de fusioacuten se
almacena en la sustancia durante cada una de estas transiciones
Tabla 24 Temperatura de fusioacuten de algunas parafinas
PCM Temperatura fusioacuten (ordmC) Q fusioacuten (kJkg)
Hexadecano 18 236
Heptadecano 22 214
Octadecano 28 244
Parafina 20ndash60 200
RT25 25 147
Fuente (Ramiacuterez A Santos A amp Gonzaacutelez N 2012)
22422 Aacutecidos Grasos
Los aacutecidos grasos derivados de productos animales y vegetales estaacuten
constituidos por una larga cadena alifaacutetica maacutes de 12 carbonos Su cadena
alquiacutelica puede ser saturada o insaturada
En general muestran excelentes caracteriacutesticas teacutermicas (punto de fusioacuten
y congelacioacuten) El rango de temperatura de refrigeracioacuten es grande y no se
produce sub enfriamiento aunque en algunos casos se han detectado Estos
materiales sin embargo tienen elevado costo pudieacutendose utilizar en dispositivos
especiales de almacenamiento de calor o frio
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
Tabla 25 Temperatura de fusioacuten de algunos aacutecidos grasos
PCM Temperatura fusioacuten (ordmC) Q fusioacuten (kJkg)
Caacuteprico 315 158
Laacuteurico 42-44 179
Pentadecano 52 159
Miriacutestico 54 190
Palmiacutetico 63 183
Esteaacuterico 70 196
Eritrol 116-118 126
Fuente (Ramiacuterez A Santos A amp Gonzaacutelez N 2012)
2243 Mezclas euteacutecticas
Tambieacuten existen las mezclas euteacutecticas que puede ser la mezcla de 2
PCM orgaacutenicos de 2 PCM inorgaacutenicos o de un PCM Orgaacutenico maacutes un PCM
inorgaacutenico A continuacioacuten en la tabla 26 se muestra la clasificacioacuten de los PCM
Tabla 26 Clasificacioacuten de los PCMs
Tipo PCM Composicioacuten
Orgaacutenicos Compuestos de parafina
Compuestos sin parafina
Inorgaacutenicos Sales hidratadas
Metaacutelicos
Euteacutecticos Orgaacutenico-Orgaacutenico
Orgaacutenico-Inorgaacutenico
Inorgaacutenico-Inorgaacutenico
Fuente (JuarezD Balart R Ferrandiz S amp Garcia D 2012)
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
23 Criterios de seleccioacuten de los Materiales con Cambio se Fase
Es muy importante la correcta seleccioacuten del material de cambio de fase
dependiendo del campo en que se desee utilizar por lo que a continuacioacuten se
presentaran algunos criterios para seleccionar un PCM correctamente Estos
criterios son propuestos seguacuten una investigacioacuten realizada en Espantildea (Ramiacuterez
A Santos A amp Gonzaacutelez N 2012)
a) Fiacutesicas
bull La densidad del liacutequido y del solido deben ser similares y preferiblemente
elevadas para poder almacenar mayor cantidad de calor por unidad de volumen
bull Variacioacuten de volumen (en el cambio de fase) bajo
b) Cineacuteticas
bull Evitar el problema de histeacuteresis subenfriamiento o retardo al inicio de la
solidificacioacuten como ocurre en los PCM inorgaacutenicos que se produce al no ceder
el calor latente de un PCM pese a que su temperatura sea inferior al punto de
congelacioacuten
c) Quiacutemicas
bull El proceso de cambio de fase debe ser totalmente reversible y solo dependiente
de la temperatura
bull Ser quiacutemicamente estables en el tiempo evitando su descomposicioacuten y
contaminacioacuten
bull No presentar segregacioacuten de fases
bull Ser compatibles con los materiales de encapsulado y otros con los que esteacute en
contacto estabilidad quiacutemica para evitar oxidacioacuten descomposicioacuten teacutermica
hidroacutelisis corrosioacuten y otras reacciones
bull No inflamables y resistentes al fuego
d) Teacutermicas
bull La temperatura de cambio de fase debe ser adecuada a cada aplicacioacuten
particular
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
bull Presentar una temperatura de fusioacuten definida o al menos el cambio de fase
debe producirse en un valor discreto o en un pequentildeo intervalo de temperaturas
bull Poseer una gran capacidad de almacenamiento de calor sensible (calor
especiacutefico) en estado soacutelido y liacutequido y elevada entalpia de cambio de fase calor
latente
bull Poseer una alta conductividad teacutermica para facilitar la transferencia de calor
e) Econoacutemicas
bull Estar disponible en grandes cantidades a bajo costo para que sean viables
teacutecnica y econoacutemicamente
bull Tener un razonable ciclo de vida uacutetil de acuerdo con su costo
24 Vida uacutetil del material cambio fase
El tiempo de vida uacutetil de un PCM viene determinado por la cantidad de
ciclos teacutermicos que es capaz de soportar un material manteniendo su estabilidad
teacutermica El PCM es sometido a repetidos ciclos de calentamiento y enfriamiento
en los que el material cambia de fase de soacutelido a liacutequido y posteriormente vuelve
a cambiar de fase de liacutequido a soacutelido Se miden sus propiedades teacutermicas en
temperaturas fusioacuten y entalpias obteniendo el nuacutemero de ciclos en los que las
propiedades teacutermicas del material no variacutean de forma considerable
Tras realizar una exhaustiva buacutesqueda existe muy poca bibliografiacutea
acerca de la degradacioacuten teacutermica de los PCM y la determinacioacuten de su tiempo de
uso especialmente en aplicaciones para edificacioacuten donde la vida uacutetil del material
debe ser elevada
Aunque es complicado conocer la vida uacutetil real de estos materiales y en
queacute momento dejan de conservar sus propiedades adecuadas para las
aplicaciones a las que se destina existen algunos artiacuteculos basados en
experimentos realizados en laboratorios de materiales sometidos a ciclos
teacutermicos acelerados para determinar si en un nuacutemero de ciclos el material
mantiene sus propiedades teacutermicas intactas (temperaturas fusioacuten y entalpias)
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
Algunos materiales son sometidos a 50 100 1000 o hasta 5000 ciclos teacutermicos
Pero el problema es determinar si ese maacuteximo de 5000 ciclos es suficiente para
asegurar que un material seguiraacute cumpliendo su funcioacuten Hasta el momento no
se ha encontrado en la literatura ninguna investigacioacuten donde se ensaye el
material un nuacutemero suficiente de ciclos hasta la peacuterdida de sus propiedades
teacutermicas para poder conocer su vida uacutetil o el nuacutemero de ciclos que es capaz de
soportar el PCM hasta su degradacioacuten
Por todo lo anteriormente expuesto en esta investigacioacuten se ha
considerado la vida uacutetil del material como el mayor nuacutemero de ciclos soportados
por un material obtenidos a partir de los estudios realizados por diferentes autores
en la literatura o fabricante a pesar de no haber llegado a degradarse en su
totalidad
25 Aplicacioacuten en la construccioacuten
El sector de la construccioacuten es el que maacutes beneficios puede obtener de la
utilizacioacuten de materiales con cambio de fase (PCM) ya que tiene importantes
beneficios en ahorro energeacutetico reducir la contaminacioacuten de CO2 y optimizar la
inercia teacutermica en las edificaciones con el objetivo de mejorar la habitabilidad de
los usuarios
La temperatura interior en un edificio depende de las condiciones
exteriores interiores y de las caracteriacutesticas teacutermicas de la edificacioacuten como la
capacidad teacutermica de los materiales que tiene un efecto como el mostrado en la
figura 23 el cual no considera un sistema activo en su anaacutelisis
Figura 23 Estabilizacioacuten de la temperatura interior por el efecto inercia teacutermica
Fuente (M Kenisarin amp K Mahkamov 2007)
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
Actualmente la mayoriacutea de los materiales de construccioacuten son livianos lo
que trae como consecuencia una baja capacidad caloriacutefica La introduccioacuten de
materiales de cambio de fase puede aumentar la inercia teacutermica del edificio sin
aumentar mucho su peso Sin embargo es necesario disponer de aacuterea de
transferencia de calor suficiente para liberar esa energiacutea (Dincer I amp Rosen M
2002) y es imprescindible que se pueda descargar el material por medio de la
ventilacioacuten durante la noche para prevenir el sobrecalentamiento en los
elementos con PCM (M Kenisarin amp K Mahkamov 2007)
La Figura 24 muestra una comparacioacuten entre el espesor de material
requerido para obtener la misma capacidad teacutermica que la obtenida con un
centiacutemetro de PCM
Figura 24 Espesor requerido de distintos materiales Vs Energiacutea teacutermica
Fuente (M Kenisarin amp K Mahkamov 2007)
Las caracteriacutesticas requeridas para el empleo de materiales de cambio de
fase en la edificacioacuten son
0 5 10 15 20 25 30 35 40
Yeso
Madera
Hormigon
Ceramico
Ladrillo
PCM
Espesor (cm)
H (
kJK
g)
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
Temperatura de cambio de fase entre 12 y 25ordmC
Alta estabilidad a los ciclos de cambio de fases debido a la larga vida uacutetil
de los edificios
No corrosivos para reducir el riesgo de fuga de su contenedor y evitar
dantildeos en la estructura del edificio
Considerar la inflamabilidad al fuego y dar soluciones constructivas de
acuerdo a la normativa
Econoacutemicamente viable en funcioacuten de los costos de implementacioacuten y
ahorro energeacuteticos
Una limitacioacuten de los PCM para su aplicacioacuten en la construccioacuten es la
estacionalidad pues el PCM debe ser seleccionado para aplicaciones en
calefaccioacuten pasiva Esta limitacioacuten reduce los beneficios teacutermicos el ahorro
energeacutetico y su viabilidad econoacutemica Investigadores estudiaron un concepto de
doble capa de PCM para que funcionara durante todo el antildeo (A Pasupathy L
Athanasius R Velraj amp RV Seeniraj 2008)
26 Encapsulacioacuten
Uno de los criterios que ha limitado el uso generalizado de los PCM es la
incompatibilidad entre estos materiales y sus contenedores afectando su
estabilidad a largo plazo degradado sus propiedades y provocando la corrosioacuten
de sus recipientes de embalaje Como respuesta a estos inconvenientes han
surgido diferentes teacutecnicas de encapsulacioacuten de los PCM las cuales ofrecen
unas ventajas significativas tales como
Aumento del aacuterea de transferencia de calor
Reduccioacuten de la reactividad hacia el ambiente exterior
Control de los cambios en el volumen eacutestos ocurren dentro de la capsula
No hay absorcioacuten de humedad
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
Los meacutetodos de encapsulacioacuten clasificados de acuerdo a su tamantildeo
pueden ser de dos tipos micro y macro encapsulados (Lane 1986)
261 Microcaacutepsulas
Una investigacioacuten menciona que la micro encapsulacioacuten podriacutea definirse
como el proceso de rodear o envolver una sustancia en otra sustancia a escala
muy reducida produciendo caacutepsulas que van desde 1 μm a 1000 μm de diaacutemetro
Los tres estados de la materia (soacutelidos liacutequidos y gases) pueden ser micro
encapsulado
El material de la membrana exterior debe ser compatible con el PCM y a
su vez ser capaz de hacer frente a la tensioacuten mecaacutenica sobre las paredes del
recipiente provocada por las variaciones de volumen durante el cambio de fase
(S E Kalnaeligs amp B P Jelle 2015)
Por lo general los PCM micro-encapsulados se encuentran
comercialmente disponibles en dos formatos dispersioacuten fluida donde las
caacutepsulas son dispersadas en agua o en polvo en mezclas en seco
La figura 25 muestra en teacuterminos practico la conformacioacuten de la
envolvente de poliacutemero en una cera PCM dimensionando el tamantildeo en ellas
Figura 25 Microcaacutepsulas
Fuente (S E Kalnaes and B P Jelle 2015)
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
39
Diego Sarabia Meacutendez
262 Macrocaacutepsulas
La macro-encapsulacioacuten hace referencia a PCM encapsulados en
cualquier tipo de recipiente tal como tubos esferas o paneles que pueden ser
incorporados en materiales de construccioacuten o que actuacutean como intercambiadores
de calor por siacute mismos El tamantildeo de estos contenedores es por lo general maacutes
de 1 cm3 almacenando desde varios mililitros hasta varios litros La tecnologiacutea
de macro encapsulacioacuten emplea un proceso de encapsulacioacuten de doble capa
creando una caacutepsula con una configuracioacuten en forma de matriz La principal
ventaja de los envases plaacutesticos es la disponibilidad en el mercado y la facilidad
de producirlos en una gran variedad de formas y con pocas restricciones
geomeacutetricas Ademaacutes son compatibles con la mayoriacutea de PCM incluyendo las
sales hidratadas por lo general no presentan degradacioacuten aunque algunos
materiales orgaacutenicos pueden llegar a suavizarlos (S E Kalnaes and B P Jelle
2015)
El PCM se encuentra confinado por la encapsulacioacuten evitaraacute cambios
volumeacutetricos importantes lo que evita varios riesgos y garantiza la integridad del
componente en el que se insertan las caacutepsulas La barrera polimeacuterica puede ser
de otros materiales por ejemplo como aluminio ya que mejora la compatibilidad
con otros materiales de construccioacuten y evita la corrosioacuten Este tipo de aplicacioacuten
es de faacutecil manejo una clara ventaja de este proceso en relacioacuten a los meacutetodos
de impregnacioacuten e inmersioacuten del iacutetem anterior
Figura 26 Caacutepsulas de macro PCM (Contenedor plano Esfera Placas de
barra doble y placas de aluminio)
Fuente (S E Kalnaeligs amp B P Jelle 2015)
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
CAPITULO III MEacuteTODOS Y METODOLOGIacuteA
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
41
Diego Sarabia Meacutendez
En este estudio la evaluacioacuten se centra en el anaacutelisis de optimizacioacuten de
la aplicacioacuten PCM a los muros exteriores y dimensionamiento del rendimiento
teacutermico de una vivienda en estudio
Los modelos generados en el software Energy Plus se ingresoacute valores de
los sistemas constructivos de la vivienda en estudio condiciones climaacuteticas
caracterizacioacuten PCM en muros exteriores y caracterizacioacuten macro encapsulacioacuten
de acuerdo con las directrices (DOE 2016) se explica en las siguientes secciones
del capiacutetulo
31 Herramienta de simulacioacuten de energiacutea
Para evaluar los PCM de comportamiento teacutermico variable de la vivienda
en estudio con y sin PCM se utilizoacute el software EnergyPlus v 87
En teacuterminos generales el software puede evaluar una variedad de caacutelculos
destacados como los caacutelculos de puentes teacutermicos HVAC integrado y
simulaciones de carga de construccioacuten confort teacutermico y materiales con
conductividad teacutermica variable como el PCM (DB Crawley LK Lawrie FC
Winkelmann WF Buhl YJ Huang amp CO Pedersen 2001) Ademaacutes hay
muchas opciones para la conveccioacuten de la superficie interior y exterior
algoritmos infiltracioacuten avanzada e ventilacioacuten energiacutea desarrollada costos del
ciclo de vida algoritmos avanzados de confort teacutermico como como la calidad del
aire interior y el confort teacutermico para los ocupantes (DB Crawley JW Hand M
Kummert amp BT Griffith 2008)
Para analizar el comportamiento teacutermico variable de los PCM en estudio
se utilizoacute el algoritmo de diferencia finita de conduccioacuten (CondFD) Este algoritmo
modela la transferencia de calor en presencia de PCM y junto con la ecuacioacuten (2)
discretiza la envolvente del edificio en varios nodos para resolver numeacutericamente
la transferencia de calor en el software se puede escoger ecuaciones por un
esquema totalmente impliacutecito y el Crank-Nicolson que es semi-impliacutecito (KO
Lee 2016)
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
42
Diego Sarabia Meacutendez
En esta investigacioacuten se utiliza un esquema Crank-Nicolson para simular
PCM para un material homogeacuteneo con espaciado uniforme de nodos como se
muestra en la ecuacioacuten (2) (3) y (4) extraiacutedo del manual del software
EnergyPlus (DOE 2016)
119862119901120588∆119909119879119894
119895+1minus 119879119894
119895
∆119905= (119896119908
119879119894+1119895+1
minus 119879119894119895+1
∆119909+ 119896119864
119879119894minus1119895+1
minus 119879119894119895+1
∆119909+ 119896119908
119879119894+1119895
minus 119879119894119895
∆119909+ 119896119864
119879119894minus1119895
minus 119879119894119895
∆119909)
Ec 2
∆119909 = radic119888120572∆119905 Ec 3
Donde Cp y ρ son el calor especiacutefico y la densidad del material Δ119909 es el
espesor de capa de diferencia finita Δ119905 es el paso de tiempo 119879 es la temperatura
de un nodo 119894 119894 + 1 y 119894 minus 1 son los nodos adyacentes al interior y exterior
respectivamente de una capa de material 119895 y 119895 + 1 son los pasos de tiempo
anterior y nuevo 119896119908 y 119896119864 representan las conductividades teacutermicas 119896119908 =
119896119894+1119895+1
+119896119894119895+1
2 y 119896119864 =
119896119894minus1119895+1
+119896119894119895+1
2 120572 es la difusividad teacutermica del material y 119888 es la
constante de discretizacioacuten del espacio que puede definir el usuario (3 es el valor
predeterminado para esta constante seguacuten manual)
Esta investigacioacuten considera el uso de paneles PCM por lo tanto el
algoritmo CondFD ecuacioacuten (2) debe combinarse con una funcioacuten de temperatura
de entalpiacutea ℎ = ℎ (119879) estos datos en la funcioacuten se obtendraacuten de acuerdo al estudio
bibliograacutefico El algoritmo usa esta funcioacuten para actualizar el calor especiacutefico
equivalente (119862119901) en cada paso de tiempo como se muestra en la ecuacioacuten (4)
lowast 119862119901(119879) =ℎ119894
119895minus ℎ119894
119895minus1
119879119894119895
minus 119879119894119895minus1
Ec 4
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
43
Diego Sarabia Meacutendez
32 Descripcioacuten Vivienda en estudio
En este apartado se define los sistemas constructivos de la vivienda en
estudio con y sin PCM para obtener la liacutenea base de comparacioacuten
En la figura 31 se muestra el disentildeo de vivienda en estudio de 56 m2 y
los espacios interiores con su distribucioacuten de aacutereas veacutease en la tabla 31 esta
vivienda se configuro de acuerdo a las soluciones constructivas acreditadas
(MINVU Soluciones constructivas acreditadas al fuego teacutermico y acuacutestico
2020)
Las caracteriacutesticas de la envolvente de la vivienda en estudio cuentan con
la configuracioacuten miacutenima de la reglamentacioacuten teacutermica que actualmente rige en
Chile estaacute establecida en la Ordenanza General de Urbanismo y Construcciones
en su artiacuteculo 4110 y en una zonificacioacuten del paiacutes en zonas teacutermicas seguacuten
grados-diacutea especificados en el manual de aislamiento teacutermico (MINVU Manual
de aplicacioacuten y reglamentacoacuten teacutermica 2017) Los complejos de techumbres
muros perimetrales y pisos inferiores ventilados entendidos como elementos que
constituyen la envolvente de la vivienda deberaacuten tener una transmitancia teacutermica
ldquoUrdquo igual o menor o una resistencia teacutermica total ldquoRtrdquo igual o superior a la
sentildealada para la zona que le corresponda al proyecto de arquitectura de acuerdo
con los planos de zonificacioacuten teacutermica corresponde a zona 4 y se verifica lo
anteriormente expuesto en la tabla 32 cabe sentildealar que los valores de
transmitancia teacutermica se extrajeron de acuerdo a las ecuaciones de balance
teacutermico que estaacute incorporado en el software
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
Figura 31 Descripcioacuten Vivienda en estudio
Elaboracioacuten Propia - Software Revit
A continuacioacuten se muestra las dimensiones que tiene cada espacio de las
dos torres del edificio en las siguientes tablas
Tabla 31 Resumen superficies de los distintos espacios vivienda en estudio
Torre A
Lugar Superficie (119950120784) Altura (m)
Dormitorio Primario 8 24
Dormitorio Secundario 7 24
Cocina 9 24
Living - Comedor 28 24
Bantildeo 3 24
TOTAL 56
Fuente Elaboracioacuten Propia
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Tabla 32 Cumplimiento de la envolvente elementos constructivos de la vivienda en estudio
Elemento Materiales (exterior al
interior)
Espesor (m)
Transmitencia teacutermica Valor U (Wm2K)
Transmitencia teacutermica exigida Valor U (Wm2K)
Muro Exterior
Siding
Fibrocemento
0006
0672
17
Plancha OSB 0009
Entramado
madera pino 2x3
0075
Lana de vidrio 005
Caacutemara no
ventilada
(Ubicacioacuten del
PCM)
0026
Placa yeso cartoacuten 0015
Muro Interior
Placa yeso cartoacuten 0015
0677
17
Entramado
madera pino 2x2
0075
Lana de vidrio 005
Placa yeso cartoacuten 0015
Techumbre
Plancha Zincalum 0035
0316
038
Fieltro 0005
Plancha OSB 0009
Entramado madera pino 2x2
0075
Lana de Vidrio 005
Placa yeso cartoacuten 00125
Piso en contacto
con el terreno
Radier Hormigoacuten 02 17 No aplica
Fuente Elaboracioacuten Propia
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
Para integrar el PCM con la vivienda en estudio se configuro las
propiedades teacutecnicas y la ubicacioacuten optima interna del PCM al panel externo
constructivo donde se administroacute en el modelo de simulacioacuten veacutease en la Figura
313 y figura 38
321 Meacutetodo de zona en software EnergyPlus
El modelo de construccioacuten creado se utilizoacute el meacutetodo de zona donde
todas las zonas fueron modeladas con informacioacuten completa en construccioacuten
ocupacioacuten equipamiento y HVAC
Al iniciar el modelo se elige la ubicacioacuten y el tipo de anaacutelisis Despueacutes se
debe ingresar un nombre al sitio y a cada zona Ademaacutes se puede asignar varios
edificios bajo el mismo sitio cada uno con su propio nombre Una vez definido lo
anterior se genera bloque que generalmente representa un piso o nivel planta
para este estudio se genera bloque de acuerdo a la figura 32
Figura 32 Modelo de zona en casa de estudio
Fuente Elaboracioacuten Propia
La fase de zonificacioacuten separa las diferentes zonas teacutermicas Para el
modelo cada suite se considera una zona El meacutetodo de zona permite asignar
diferentes horarios operativos a cada zona Cada una de las paredes de cada
bloque se llama superficie y ventanas o puertas como sub-superficies o
aberturas La vivienda se muestra parcialmente en la Figura 33
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
Figura 33 Zona y sub-superficie de vivienda en estudio
Fuente Elaboracioacuten Propia
El software da la posibilidad de elegir los materiales utilizados en la
construccioacuten de la vivienda a traveacutes de sus bibliotecas de materiales o pueden
ser creados por el usuario y los materiales elegidos son asignado a las partes
especificadas de la vivienda Estos pasos se repitieron en todos los pisos para
completar todo el modelo de construccioacuten
33 Datos meteoroloacutegicos
El modelo de simulacioacuten se mantuvo en base a los datos meteoroloacutegicos
con formato EPW en Energy plus se definioacute la ubicacioacuten Concepcioacuten Chile Con
el objetivo de evaluar el rendimiento teacutermico y analizar la optimizacioacuten de la
posicioacuten del PCM al muro exterior de la vivienda en estudio Las configuraciones
de los datos meteoroloacutegicos se muestran en la Figura 34
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Figura 34 Configuracioacuten datos meteoroloacutegico
Fuente Elaboracioacuten Propia
34 Jornadas de ocupacioacuten
Para realizar la simulacioacuten energeacutetica se deben definir una serie de
planillas de ocupacioacuten de los recintos uso de luminaria y equipos En estas
planillas de ocupacioacuten se define el ciclo horario para todos los diacuteas del antildeo
Esto se realiza con la finalidad de establecer los periodos en los que
influyen los distintos tipos de cargas internas en la vivienda
A continuacioacuten se adjunta a modo de ejemplo la figura 35 en la cual se
puede ver el menuacute de configuracioacuten de las plantillas de ocupacioacuten
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Figura 35 Planilla de uso horario de un recinto
Fuente Elaboracioacuten propia
35 Configuracioacuten envolvente por elemento y sistemas de climatizacioacuten
Definidos las zonas y multi zonas del modelo se deberaacute configurar los
sistemas constructivos en sus propiedades teacutermicas y dimensiones El software
automaacuteticamente genera el caacutelculo de transmitancia teacutermica anaacutelisis de
condensacioacuten y dimensioacuten en imagen por elemento Veacutease en la figura 36
Para configurar el sistema de climatizacioacuten primero se debe definir los
rangos de temperatura confort teacutermico en la pestantildea de actividades del software
Veacutease figura 37 A continuacioacuten se define el tipo de sistema de climatizacioacuten
definiendo las horas de operacioacuten tipo combustible y rendimiento del sistema
como se muestra en la figura 38
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Figura 36 Planilla configuracioacuten envolvente por elemento
Fuente Elaboracioacuten propia
Figura 37 Planilla configuracioacuten rango de temperatura confort teacutermico
Fuente Elaboracioacuten propia
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Figura 38 Planilla configuracioacuten del tipo de sistema de climatizacioacuten
Fuente Elaboracioacuten propia
36 Caracterizacioacuten PCM
En este estudio se utilizoacute placas PCM tipo orgaacutenico de parafina tiene una
relacioacuten de mezcla de n-octadecano a n-heptadecano seleccionado debido a la
eficiencia energeacutetica con temperatura cercana al confort teacutermico (12ndash26 deg C)
basado en ISO 13790 (KO Lee 2016)
Seguacuten el estado de arte existente se definioacute los tres materiales de cambio
de fase los cuales son candidatos idoacuteneos para utilizar en esta investigacioacuten
Estos materiales han sido estudiados por diversos autores con el fin de obtener
sus propiedades termofiacutesicas y usarlas en la edificacioacuten La razoacuten de utilizar estos
materiales es debido a sus propiedades teacutermicas y el que su temperatura de
fusioacuten es cercana a la temperatura de confort
Ademaacutes la vida uacutetil del PCM es de 13 antildeos seguacuten su ciclo de cambio
fase considerando 365 cambios fase anual el cual se justifica con los costos de
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
inversioacuten al implementar esta tecnologiacutea dependiendo de la magnitud del flujo
de calor el cuaacutel se quiere operar
Las especificaciones teacutecnicas de las placas PCM y el comportamiento de
temperaturas y entalpias de operacioacuten se describen en la tabla 33 las cuales se
vinculan con el algoritmo CondFD de la ecuacioacuten (2) para evaluar su rendimiento
energeacutetico en la vivienda en estudio
361 Seleccioacuten de Materiales Cambio Fase
Tabla 33 Especificaciones teacutecnicas de PCM a utilizar
Caracteriacutesticas RT18HC
Valores Unidades Grafica entalpia y Temperatura
Temperatura de Fusioacuten
18
degC
Almacenamiento de calor
260 [kJkg]
Capacidad calor especifico
2 [kJkgK]
Densidad solido (a los 15degC)
088 [kgl]
Densidad solido (a los 25degC)
077 [kgl]
Conductividad teacutermica
(Ambas fases)
02 [W(mK)]
Expansioacuten de Volumen
125
Maacutexima temperatura operacioacuten
50 degC
Ciclo Cambio fase
5000 -
Caracteriacutesticas RT21HC
Valores Unidades Grafica entalpia y Temperatura
Temperatura de Fusioacuten
21
degC
Almacenamiento de calor
155 [kJkg]
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
Capacidad calor especifico
2 [kJkgK]
Densidad solido (a los 15degC)
088 [kgl]
Densidad solido (a los 25degC)
077 [kgl]
Conductividad teacutermica
(Ambas fases)
02 [W(mK)]
Expansioacuten de Volumen
12
Maacutexima temperatura operacioacuten
45 degC
Ciclo Cambio fase
5000 -
Caracteriacutesticas RT22HC
Valores Unidades Grafica entalpia y Temperatura
Temperatura de Fusioacuten
22
degC
Almacenamiento de calor
190 [kJkg]
Capacidad calor especifico
2 [kJkgK]
Densidad solido (a los 15degC)
076 [kgl]
Densidad solido (a los 25degC)
070 [kgl]
Conductividad teacutermica
(Ambas fases)
02 [W(mK)]
Expansioacuten de Volumen
125
Maacutexima temperatura operacioacuten
50 degC
Ciclo Cambio fase
5000 -
Fuente (Rubitherm 2020)
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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362 Configuracioacuten del PCM en EnergyPlus
De acuerdo al estudio bibliograacutefico de los materiales cambio fase para
ingresar los datos al software se debe definir las cantidades de temperatura de
operacioacuten identificar el punto de fusioacuten en las graacuteficas de entalpia y temperatura
de la tabla 33 conductividad teacutermica calor especifico densidades y espesor en
el elemento constructivo con el fin de determinar el flujo de calor de operacioacuten
de acuerdo al balance termodinaacutemico de la ecuacioacuten (2) A continuacioacuten se
adjunta a modo de ejemplo la figura 39 en la cual se puede ver el menuacute de
configuracioacuten
Figura 39 Configuracioacuten del PCM en el software
Fuente Elaboracioacuten Propia
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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363 Cotizacioacuten PCM RT21
La inversioacuten total del material cambio fase es de $1106679
correspondiente a 160 kg con transporte incluido Se observa que el costo de
transporte afecta considerablemente en su valor (Alemania)
Se realizoacute cotizacioacuten del material RT21 en la empresa alemana Rubitherm
se presenta en la figura 310
Figura 310 Cotizacioacuten del material RT21
Fuente (Rubitherm 2020)
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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37 Caracterizacioacuten Macro encapsulacioacuten
En esta seccioacuten la placa de macro encapsulacioacuten utilizada para el PCM
es de materialidad de aluminio veacutease figura 311 esto aumenta la transferencia
de calor en los PCM Son dos placas que estaacuten unidas entre siacute Se unen en dos
puntos centrados y se pegan en sus marcos Pueden ser utilizados para PCM
(orgaacutenico - inorgaacutenico) Por lo tanto se puede ofrecer un rango de temperatura
para una variedad de aplicaciones El grosor depende del volumen de llenado y
por lo tanto de la capacidad de almacenamiento Para el estudio se seleccionoacute
el modelo CSM105 Rubitherm el cual su espesor es de 15 mm y puede
almacenar 2 Kg de PCM por placa
Figura 311 Modulo Almacenamiento Macro encapsulacioacuten de aluminio
Fuente (Rubitherm 2020)
371 Cotizacioacuten Macro encapsulacioacuten
La inversioacuten total de la Macro encapsulacioacuten de aluminio modelo CSM105
Rubitherm es de $ 4326306 correspondiente a 150 unidades con transporte
incluido Se observa que el costo de transporte afecta considerablemente en su
valor (Alemania) Se realizoacute cotizacioacuten de los elementos de Macro encapsulacioacuten
de aluminio modelo CSM105 Rubitherm se presenta en la figura 312
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
Figura 312 Cotizacioacuten Macro encapsulacioacuten
Fuente (Rubitherm 2020)
38 Validacioacuten muro constructivo con PCM
De acuerdo a los estudios del estado de arte y conocimientos teacutecnicos se
validoacute el sistema constructivo propuesto del muro exterior en el cumplimiento de
resistencia al fuego de acuerdo al cataacutelogo de soluciones constructivas del
MINVU y de la Ordenanza General de Urbanismo y Construcciones (OGUC)
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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381 Cumplimiento de la OGUC y Resistencia al fuego
Dentro de las exigencias a cumplir por la OGUC se tiene la resistencia
al fuego en elementos constructivos seguacuten el tipo de recinto Para el caso del
muro de la vivienda en estudio se hace el siguiente anaacutelisis
De la tabla Ndeg34 seguacuten ldquodestino del edificiordquo ldquosuperficie edificada (m2)rdquo y
ldquonuacutemero de pisosrdquo se obtiene una clasificacioacuten (a b c y d) seguacuten corresponda
En el caso de estudio se tiene una vivienda de 1 piso por lo que el destino
es ldquoHabitacionalrdquo y por nuacutemero de pisos se establece una clasificacioacuten ldquodrdquo
Tabla 34 Clasificacioacuten de los edificios seguacuten su destino superficie edificada y
nuacutemero de pisos Destino del Edificio Superficie Edificada (m2) Nuacutemeros de Pisos
1 2 3 4 5 6 7 o mas
Habitacional Cualquiera d d c c b a a
Hoteles Sobre 5000 c b a a a a a
Sobre 1500 y hasta 5000 c b b b a a a
Sobre 500 y hasta 1500 c c b b a a a
Hasta 500 d c b b a a a
Oficinas Sobre 1500 c c b b b a a
Sobre 500 y hasta 1500 c c c b b b a
Hasta 500 d c c b b b a
Museos Sobre 1500 c c b b b a a
Sobre 500 y hasta 1500 c c c b b b a
Hasta 500 d c c b b b a
Clinica Hospitales y Lab Sobre 1000 c b b a a a a
Hasta 1000 c c b b a a a
Policlinicos Sobre 400 c c b b b b a
Hasta 400 d c c b b b a
Restaurante Sobre 500 b a a a a a a
Sobre 250 y hasta 500 c b b a a a a
Hasta 250 d c c b b a a
Locales Comerciales Sobre 500 c b b a a a a
Sobre 200 y hasta 500 c c b b a a
Hasta 200 d c b b b a a
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Bibliotecas Sobre 1500 b b a a a a a
Sobre 500 y hasta 1500 b b b a a a a
Sobre 250 y hasta 500 c b b b a a a
Hasta 250 d c b b a a a
Automotoras Cualquiera d c c b b b a
Edificio Estacionamiento Cualquiera d c c c b b a
Fuente (MINVU Soluciones constructivas acreditadas al fuego teacutermico y
acuacutestico 2020)
Para lograr obtener la resistencia al fuego necesaria se debe utilizar
ademaacutes la tabla 34 la cual utilizo como criterios la clasificacioacuten obtenida de la
tabla 35 y el tipo de elemento constructivo
Tabla 35 Resistencia al fuego para diferentes elementos de construccioacuten Elementos de Construccioacuten
Tipo (1) (2) (3) (4) (5) (6) (7) (8) (9)
A F-180 F-120 F-120 F-120 F-120 F-30 F-60 F-120 F-60
B F-150 F-120 F-90 F-90 F-90 F-15 F-30 F-90 F-60
C F-120 F-90 F-60 F-60 F-60 - F-15 F-60 F-30
D F-120 F-60 F-60 F-60 F-30 - - F-30 F-15
Fuente (MINVU Soluciones constructivas acreditadas al fuego teacutermico y
acuacutestico 2020) Simbologiacutea
Elementos verticales
(1) Muros cortafuego
(2) Muros zona vertical de seguridad y caja de escalera
(3) Muros caja de ascensores
(4) Muros divisorios entre unidades (hasta la cubierta)
(5) Elementos soportantes verticales
(6) Muros no soportantes y tabiques
Elementos verticales y horizontales
(7) Escaleras
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Elementos Horizontales
(8) Elementos soportantes horizontales
(9) Techumbre incluido cielo falso
Para el caso de los muros que dan al exterior de la vivienda en estudio se
considera en la categoriacutea (5) y seguacuten la clasificacioacuten obtenida de la tabla 35 (d)
se tiene un grado de resistencia al fuego F-30
Para cumplir con esta exigencia se utiliza una solucioacuten del cataacutelogo de
soluciones constructivas del MINVU la cual se presenta a continuacioacuten
Tabla 36 Tabique perimetral estructura madera en vivienda en estudio
A233014 Tabique Estructura Madera Volcanita 15 mm RF Placa
OSB 9 mm Siding Volcan 6 mm Aislanglas R122 50 mm
Elemento estaacute formado por una estructura de madera hecha con listones de pino
radiata de 2rdquo x 3rdquo en bruto Consta de 5 pie-derechos distanciados entre ejes
cada 06 m dos cadenetas distanciadas entre ejes cada 08 m una solera inferior
y otra superior Esta estructuracioacuten esta forrada por una de sus caras con una
plancha de yeso-cartoacuten ldquoVolcanita RFrdquo de 15 mm de espesor La otra cara esta
forrada con una placa de madera OSB de 9 mm de espesor y como terminacioacuten
en esta cara lleva unas fajas horizontales de fibrocemento ldquoSiding Volcanrdquo tipo
tinglado de 190 mm de ancho y 6 mm de espesor Todo el conjunto esta
atornillado a la estructura de madera Esta conformacioacuten deja espacios libres en
el interior del panel estaacuten rellenos con una manta de lana de vidrio tipo rollo libre
R122 de 50 mm de espesor de densidad media aparente de 14 kgm3 Las
dimensiones para el ensayo fue 22 de ancho x 24 de alto y 105 mm de espesor
INSTITUCION Ndeg Informe Lab Fecha Resistencia Inscripcioacuten
Volcaacuten SA 374721 IDIEM 26-06-96 F-30 2015
Fuente (MINVU Soluciones constructivas acreditadas al fuego teacutermico y
acuacutestico 2020)
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
Otra de las exigencias por parte de la OGUC es el cumplimiento de la
reglamentacioacuten teacutermica mostrado en la tabla 32 para esto se compara las
transmitancias teacutermicas exigidas con las envolventes de los elementos
constructivos de la vivienda en estudio Para el caso del muro donde se
incorporaraacute el PCM se seleccionoacute de acuerdo al listado de soluciones
constructivas del MINVU para validar la resistencia al fuego En la figura 313 se
visualiza las componentes de la envolvente del muro con PCM
Figura 313 Sistema Constructivo Muro exterior con PCM en vivienda estudio
Fuente Elaboracioacuten Propia
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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CAPITULO IV RESULTADOS Y DISCUSIOacuteN
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
En este segmento se evaluoacute el comportamiento energeacutetico de los
materiales cambio fase mediante el software Energy Plus Los materiales cambio
fase se produce dentro de placas de macro encapsulacioacuten de aluminio al interior
de los muros exteriores
Por lo tanto se observoacute el aporte energeacutetico de los materiales cambio fase
en un sistema activo de calefaccioacuten optimizando los sistemas constructivos en
la vivienda en estudio y dar respuesta a su aplicacioacuten en acondicionamiento
ambiental
41 Comportamiento Energeacuteticos de los materiales cambio fase
A continuacioacuten se comparoacute el comportamiento energeacutetico de dos sistemas
de climatizacioacuten con el aporte energeacutetico pasivo de los distintos materiales
cambio fase en una vivienda en estudio
411 Rendimiento energeacutetico de calefaccioacuten con y sin PCM
Para evaluar el comportamiento energeacutetico se definioacute la temperatura de
fusioacuten de los PCM en el rango de 18 a 22degC el aporte energeacutetico de los PCM
ayudo a mantener constante la temperatura confort de 21degC en la vivienda y
reducir los consumos energeacuteticos del sistema activo para este estudio se
escogioacute dos sistemas de climatizacioacuten caso 1 calefaccioacuten a lentildea con un η=07 y
caso 2 Climatizacioacuten por bomba de calor η=27 esta seleccioacuten se debe a que el
sistema de calefaccioacuten a lentildea es el maacutes usado en la zona genera una alta
contaminacioacuten ambiental por su combustioacuten en material particulado es el
combustible maacutes econoacutemico por unidad de energiacutea y su inversioacuten es accesible
en cambio los equipos de bomba calor tienen un mayor rendimiento energeacutetico
tiene menos impacto al medio ambiente y su inversioacuten es costosa
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
La figura 41 (a) muestra las potencias maacuteximas de disentildeo en
climatizacioacuten comparando la liacutenea base con la implementacioacuten de materiales
PCM en vivienda en estudio ubicado en Concepcioacuten Chile A traveacutes de este
anaacutelisis se identificoacute una disminucioacuten en su potencia de disentildeo de 319 (de
263 kW a un 179 kW) con respecto al caso base
Figura 41 (a) Potencia maacutexima disentildeo con y sin PCM en vivienda estudio
Fuente Elaboracioacuten Propia
En la figura 41 (b) y (c) se realizoacute la comparacioacuten de distintos tipos de
materiales PCM con un rango de temperatura de fusioacuten entre 18 degC a 22degC para
determinar cuaacutel es maacutes eficiente en funcioacuten de las variables de disentildeo
emplazamientos y propiedades teacutermicas
Para el primer caso se evaluoacute el sistema de calefaccioacuten a lentildea y el rol
clave de estos materiales PCM es reducir el consumo energeacutetico y el kgCO2
generado por la combustioacuten En los resultados se visualizoacute que el material cambio
fase optimo corresponde al PCM 22HC arrojando una reduccioacuten del consumo
energeacutetico de 341 (de 3694 kWh a un 2434 kWh) en comparacioacuten al caso base
CocinaDormitorioSecundario
DormitorioPrimario
Living-Comedor
Bantildeo
Sin PCM 03 037 047 129 02
Con PCM 017 027 033 087 015
0
02
04
06
08
1
12
14
Dem
ada
En
erge
tica
(k
W)
Potencia Maxima de Disentildeo
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
Para el segundo caso se evaluoacute un sistema de bomba de calor multisplit
al igual que en el caso anterior el material optimo corresponde al PCM 22HC se
observoacute una disminucioacuten de consumo energeacutetico de un 344 (de 688 kWh a un
451 kWh) en comparacioacuten al caso base
Para ambos casos se observoacute una notable reduccioacuten de los consumos
energeacuteticos en estacioacuten friacutea
Figura 41 (b) Caso 1 - Consumo energeacutetico en calefaccioacuten Lentildea con y sin
PCM en vivienda estudio
Fuente Elaboracioacuten Propia
Ene Feb Mar Abr May Jun Jul Ago Sept Oct Nov Dic
Sin PCM 75 79 138 267 477 604 626 498 408 271 147 104
PCM 18 37 34 73 188 424 579 602 440 347 185 85 60
PCM 21 31 27 64 167 397 547 570 405 313 161 71 53
PCM 22 13 11 39 138 354 506 528 357 275 130 49 34
0
200
400
600
800
1000
Co
nsu
mo
Co
mb
ust
ible
(k
Wh
)
Consumo Combustible Lentildea Mensual
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
66
Diego Sarabia Meacutendez
Figura 41 (c) Caso 2 - Consumo energeacutetico Bomba de calor con y sin PCM en
vivienda estudio
Fuente Elaboracioacuten Propia
Se identificoacute que la temperatura de fusioacuten maacutes baja de los PCM no es
viable en la optimizacioacuten del sistema pasivo en climatizacioacuten podriacutea ser explicado
por las variables temperatura exteriores dependiendo de las condiciones
climaacuteticas por su emplazamiento Por ejemplo de acuerdo con las cargas
maacuteximas de calefaccioacuten se debe a que la energiacutea en invierno aumento
estableciendo las temperaturas de confort teacutermico esta es una variable de
seleccioacuten del PCM que serviraacute para optimizar el disentildeo en funcioacuten del confort
teacutermico disminuyendo demanda energeacutetica perdidas caloriacuteficas y consumos
energeacuteticos de sistemas de calefaccioacuten activos
Seguacuten el estado de arte otro punto importante a comentar es tener en
cuenta que las curvas de entalpia y temperatura tanto para refrigeracioacuten y
calefaccioacuten deben ser lo maacutes cercana posible de lo contrario se produciriacutea una
Ene Feb Mar Abr May Jun Jul Ago Sept Oct Nov Dic
Sin PCM 14 15 26 50 89 112 116 92 78 50 27 19
PCM 18 7 6 14 35 79 107 112 82 64 34 16 11
PCM 21 57 5 12 31 74 101 106 75 58 30 13 10
PCM 22 23 2 72 256 66 936 976 662 511 24 9 63
0
20
40
60
80
100
120
Co
nsu
mo
Co
mb
ust
ible
(k
Wh
)Consumo Combustible Bomba de calor Mensual
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
67
Diego Sarabia Meacutendez
histeacuteresis o sub enfriamiento y afectariacutea considerablemente el rendimiento del
PCM en su aplicacioacuten
Para la implementacioacuten de sistemas activos sustentables en climatizacioacuten
se demuestra en el estudio que el aporte energeacutetico de los PCM es mantener la
temperatura constante dentro de los espacios interiores y ayudan tambieacuten a bajar
considerablemente los consumos energeacuteticos y es un aporte al medio ambiente
Para sistemas pasivos la eficiencia en los PCM en los muros exteriores
podriacutea incrementarse sugiriendo que haya acristalamiento a base de muros
cortina durante el diacutea lleva al PCM al proceso de cambio de fase de manera
estable en el tiempo debido a su almacenamiento teacutermico (F Ascione RF De
Masi F de Rossi S Ruggiero amp GP Vanoli 2016)
Ademaacutes la disminucioacuten de un 319 en potencia maacutexima de disentildeo para
equipos de climatizacioacuten arrojado en este estudio y un promedio de 33 en
reduccioacuten en consumo energeacutetico en los dos casos de climatizacioacuten propuestos
se puede inferir que los materiales cambio fase es capaz de contribuir a eficiencia
energeacutetica
412 Inversioacuten inicial y costos operativos en sistemas de calefaccioacuten con y sin PCM
Se hizo un anaacutelisis de los principales costos asociados a la adquisicioacuten de
los equipos y operacioacuten de eacutestos No se consideraraacute valor residual o de
salvamiento Para poder comparar la vida uacutetil a usar seraacute de 10 antildeos
Al obtener los valores de consumos energeacuteticos en las simulaciones de
los casos propuestos se visualiza una aproximacioacuten en demostrar el beneficio
econoacutemico que aporta los PCM a los sistemas activos Vease en figura 42
En el caso 1 sistema de calefaccioacuten a lentildea se observoacute una disminucioacuten
en los costos de operacioacuten anual de un 341 (de $88656 a un $58416)
($ 24 por kWh) (BES 2017) y en el caso 2 sistema de climatizacioacuten por bomba
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
68
Diego Sarabia Meacutendez
calor se observoacute una disminucioacuten en los costos de operacioacuten anual de un 344
(de $72928 a un $47795) ($ 106 por kWh) (BES 2017)
Figura 42 Inversioacuten inicial y costos operativos sistema climatizacioacuten con y sin
PCM en vivienda estudio
Fuente Elaboracioacuten Propia
42 Propuesta de aplicacioacuten PCM a caso base como sistema de actualizacioacuten
Seguacuten los resultados del comportamiento energeacutetico de la vivienda en
estudio con y sin PCM Se identificoacute un enfoque diferente e innovador para
sistemas pasivos de acondicionamiento ambiental o el aporte energeacutetico
significativo de los PCM a los sistemas activos para mantener su temperatura
constante en su operacioacuten
Una correcta ubicacioacuten del PCM a los muros exteriores de una vivienda en
estudio mostro significativamente un ahorro de energiacutea con respecto al caso
base esto se debe a la colocacioacuten del PCM en la particioacuten interna en los muros
exteriores emplazamiento de la vivienda tipo de encapsulacioacuten y orientacioacuten de
los muros con respecto al sol
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
Sin PCM PCM 22HC Inversion
Mil
es d
e p
eso
sInversion inicial y costos operativos en sistema
climatizacion
Caso 1 Sistema Calefaccion Lentildea Caso 2 Sistemas Bomba de Calor
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
69
Diego Sarabia Meacutendez
El tipo de encapsulacioacuten de acuerdo al panel constructivo mostro que debe
ser macro encapsulacioacuten con materialidad de aluminio para aumentar la
conductividad teacutermica de los materiales cambio fase que era una de sus
desventajas teacutecnicas
A traveacutes de este anaacutelisis se identificoacute que material de cambio de fase se
debe seleccionar de acuerdo a la aplicacioacuten pasiva en vivienda en estudio
considerando variables de seleccioacuten como cineacuteticas fiacutesicas quiacutemicas teacutermicas
y econoacutemicas
Finalmente se observoacute que es posible maximizar la eficiencia de la
energiacutea en mantener la temperatura constante en los espacios interiores con el
aporte energeacutetico de los sistemas pasivos cuando se usa materiales cambio fase
en los muros exteriores de la vivienda en estudio Ademaacutes el PCM con
temperatura de fusioacuten cercana a la temperatura confort logra un mayor
rendimiento energeacutetico seguacuten su emplazamiento y reduce considerablemente los
costos de operacioacuten de un sistema climatizacioacuten activo aportaacutendole energiacutea
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
70
Diego Sarabia Meacutendez
CONCLUSIONES
El trabajo reciente propone un anaacutelisis de optimizacioacuten del PCM a una
vivienda en estudio como una aplicacioacuten de actualizacioacuten a sistemas pasivos y
se evaluoacute el comportamiento energeacutetico de dos sistemas activos de climatizacioacuten
mediante el uso del software EnergyPlus
En este estudio se describe la seleccioacuten de materiales de cambio fase a
utilizar la encapsulacioacuten adecuada en base a la aplicacioacuten y propiedades de
disentildeo
En el anaacutelisis del comportamiento energeacutetico de la vivienda en estudio se
observoacute que el PCM adecuado seguacuten la temperatura de fusioacuten estaacute en el rango
de 18 a 22 degC cercano a la temperatura de confort teacutermico Para este estudio se
escogioacute el PCM 22HC ya que su comportamiento es ideal para la vivienda en
estudio arrojando un 319 (de 263 kW a un 179 kW) de reduccioacuten de
potencias maacuteximas de disentildeo en climatizacioacuten De acuerdo al PCM escogido se
analizoacute el comportamiento del consumo energeacutetico en dos sistemas de
climatizacioacuten Caso 1 Sistema calefaccioacuten a lentildea mostro una reduccioacuten del
consumo energeacutetico de 341 (de 3694 kWh a un 2434 kWh) Para el segundo
caso se evaluoacute un sistema de bomba de calor multisplit al igual que en el caso
anterior el material optimo corresponde al PCM 22HC se observa una
disminucioacuten de consumo energeacutetico de un 344 (de 688 kWh a un 451 kWh) en
comparacioacuten al caso base lo que implica una notable reduccioacuten de los consumos
energeacuteticos en la estacioacuten friacutea Ademaacutes junto con los valores de consumo
energeacutetico se evaluoacute los costos de operacioacuten anual arrojando una disminucioacuten
promedio de 34 debido al aporte de los PCM
En general estos resultados sostienen firmemente que es posible mejorar
la eficiencia del ahorro energeacutetico cuando los PCM se instala en los muros
exteriores maximizando los ahorros energeacuteticos Por lo tanto para lograr la
optimizacioacuten de la envolvente de la vivienda con aplicacioacuten PCM la temperatura
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
71
Diego Sarabia Meacutendez
de fusioacuten fue de 22 deg C y el macro encapsulamiento es de material de aluminio
mejorando su transmitancia teacutermica del flujo de calor en los paneles
constructivos dando como resultado una adecuada actualizacioacuten a la aplicacioacuten
y a la instalacioacuten de los PCM a la vivienda en estudio ubicada en Concepcioacuten
Chile
Los costos de implementacioacuten en la tecnologiacutea pasiva como los PCM tiene
un elevado valor debido al costo del transporte (Alemania) se podriacutea justificar
encargando por mayor estos insumos y aplicarlo a un lote de viviendas
Es importante aplicar el PCM optimizado considerando el enfoque y
variables de disentildeo como la condicioacuten climaacutetica temperatura de fusioacuten de PCM
encapsulamiento y irradiacioacuten solar
La implementacioacuten de esta tecnologiacutea demuestra que aporta en la
reduccioacuten de material particulado en zonas criacuteticas en contaminacioacuten y las
emisiones de CO2 aportando al medio ambiente
Se deberaacute tener en cuenta que las curvas de entalpia y temperatura de los
PCM tanto para refrigeracioacuten y calefaccioacuten deben ser lo maacutes cercana posible de
lo contrario se produciriacutea una histeacuteresis o subenfriamiento y afectariacutea
considerablemente el rendimiento del PCM en su aplicacioacuten
Como investigacioacuten adicional queda por explorar la optimizacioacuten de PCM
aplicado a paredes exteriores con persianas de acristalamiento o invernaderos
adosados al poseer mayor captacioacuten de energiacutea solar tendraacute un mayor
almacenamiento energeacutetico y retraso teacutermico en los muros aplicado con PCM y
obtener una segmentacioacuten de los datos climaacuteticos por zonas para investigar el
comportamiento energeacutetico en aplicaciones pasivas
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
72
Diego Sarabia Meacutendez
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teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
INDICE DE TABLAS
Tabla 21 Ventajas e inconvenientes de los PCM inorgaacutenicos 28
Tabla 22 Temperatura de fusioacuten de algunas sales hidratadas 29
Tabla 23 Ventajas e inconvenientes de los PCM orgaacutenicos 30
Tabla 24 Temperatura de fusioacuten de algunas parafinas 31
Tabla 25 Temperatura de fusioacuten de algunos aacutecidos grasos 32
Tabla 26 Clasificacioacuten de los PCMs 32
Tabla 27 Ventajas e inconvenientes de las microcapsulas 38
Tabla 28 Ventajas e inconvenientes de las Macrocaacutepsulas 39
Tabla 31 Resumen superficies de los distintos espacios vivienda en estudio
44
Tabla 32 Cumplimiento de la envolvente elementos constructivos de la
vivienda en estudio 44
Tabla 33 Especificaciones teacutecnicas de PCM a utilizar 52
Tabla 34 Clasificacioacuten de los edificios seguacuten su destino superficie edificada y
nuacutemero de pisos 58
Tabla 35 Resistencia al fuego para diferentes elementos de construccioacuten 59
Tabla 36 Tabique perimetral estructura madera en vivienda en estudio 60
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
INTRODUCCION
Debido al avance de la ciencia y la tecnologiacutea la calidad de vida y los
sistemas de produccioacuten en la industria han mejorado lo que ha aumentado el
consumo mundial de energiacutea en paiacuteses industrializados y las economiacuteas
emergentes Este aumento en el consumo de energiacutea tiene efectos nocivos sobre
el medio ambiente como el aumento de las emisiones de gases a la atmoacutesfera
entre otros Por lo tanto los paiacuteses estaacuten promoviendo cada vez maacutes nuevas
poliacuteticas energeacuteticas y promoviendo dos tipos de acciones para reducir las
emisiones entre otras aumentar la proporcioacuten de energiacutea renovable y promover
medidas de ahorro y eficiencia energeacutetica Debido a las crecientes
preocupaciones sobre el consumo de energiacutea se necesita urgentemente maacutes
investigacioacuten
Entre las medidas de eficiencia energeacutetica surge la necesidad de estudiar
el uso de energiacutea solar a traveacutes de la aplicacioacuten de materiales de cambio de fase
(PCM seguacuten sus siglas en ingleacutes Phase Change Materials) Estudios recientes
sobre materiales de cambio de fase han demostrado que hay varios aspectos
para mejorar en la aplicacioacuten y caracterizacioacuten de estos materiales (Anisur
2013)
Actualmente el sector de la construccioacuten contribuye considerablemente al
consumo total de energiacutea y las emisiones de gases de efecto invernadero a la
atmoacutesfera Los edificios consumen maacutes del 40 de la energiacutea primaria del
mundo que es responsable del 30 de las emisiones de gases de efecto
invernadero (Thorpe 2011)
A nivel local el sector residencial es responsable de las altas demandas
energeacuteticas equivalente a 23 del consumo energeacutetico nivel paiacutes Del parque
habitacional existente en Chile 75 fue construido sin consideraciones teacutermicas
y de eficiencia energeacutetica dicha situacioacuten provoca que el usuario asuma el costo
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
13
Diego Sarabia Meacutendez
del consumo energeacutetico en calefaccioacuten y refrigeracioacuten para mantener la vivienda
en zona confort (Wegertseder 2015)
Tradicionalmente el consumo de energiacutea se reduce mediante el uso de
aislamiento teacutermico de alta calidad en la envolvente de un edificio para reducir la
transferencia de calor entre el interior y exterior (Zhou D Tian Y Qu Y amp
Chen Y K 2016) Un aumento en la eficiencia de los sistemas de calefaccioacuten
ventilacioacuten y aire acondicionado (HVAC) tambieacuten ha sido responsable de una
reduccioacuten en el consumo de energiacutea sin embargo las mejoras en la eficiencia
energeacutetica no deben limitarse a estos enfoques
Un estudio de investigacioacuten describioacute que el aumento de la inercia teacutermica
del edificio reduce la cantidad de energiacutea utilizada para calefaccioacuten y refrigeracioacuten
(Ling H Chen C Qin H Wei S Lin J Li N) ya que reduce las
fluctuaciones en la temperatura interior ayudando a mantener el espacio interno
dentro del rango de confort teacutermico y reduciendo la necesidad de utilizar sistemas
de aire acondicionado
El almacenamiento de energiacutea se puede implementar mediante calor
sensible aumentando y disminuyendo la temperatura de los recubrimientos de
edificios o mediante calor latente Con la inclusioacuten de materiales de cambio de
fase conduce a una mayor densidad de energiacutea teacutermica Los materiales de
cambio de fase estaacuten asociados con el almacenamiento de calor latente (LHS)
con su principal ventaja de tener una alta densidad de almacenamiento a
temperatura constante Por lo tanto los materiales de cambio de fase han
demostrado que su almacenamiento de energiacutea teacutermica latente se puede utilizar
para calentar y enfriar a sistemas de construccioacuten pasivos o activos (B Zalba J
Marin L Cabeza y H Mehling 2003)
Investigaciones maacutes recientes han estudiado sus propiedades fiacutesicas
quiacutemicas cineacuteticas y especialmente teacutermicas para seleccionar el material de
cambio de fase maacutes adecuado para la presente investigacioacuten (Ramiacuterez A
Santos A amp Gonzaacutelez N 2012)
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
14
Diego Sarabia Meacutendez
El intereacutes sostenido en comprender la importancia de los materiales de
cambio fase llevoacute a investigar el disentildeo del elemento constructivo con los PCM
incorporados para reducir la demanda energeacutetica de la vivienda en estudio y
contribuir a mejoras de condiciones de habitualidad Aquiacute se utilizoacute la
herramienta simulacioacuten Energy Plus para evaluar el rendimiento teacutermico de una
vivienda en estudio ubicada en la ciudad de Concepcioacuten de la regioacuten del Biacuteo-Biacuteo
Chile
En este estudio se demostroacute que es posible maximizar la eficiencia del
ahorro de energiacutea en sistemas activos de climatizacioacuten al optimizar el PCM
aplicado a las paredes exteriores Se identificoacute que los materiales de cambio de
fase son una contribucioacuten a la implementacioacuten del acondicionamiento pasivo
debido a su gran almacenamiento energeacutetico
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
CAPITULO I ENUNCIADO DE LA INVESTIGACIOacuteN
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
11 Planteamiento del problema
En la actualidad las necesidades energeacuteticas a nivel mundial han
aumentado de manera significativa por distintas razones Hoy en diacutea los edificios
consumen maacutes del 40 de la energiacutea primaria del mundo que son responsables
del 30 de las emisiones de gases de efecto invernadero (Thorpe 2011)
A nivel local el sector residencial es responsable de las altas demandas
energeacuteticas equivalente a 23 del consumo energeacutetico nivel paiacutes Del parque
habitacional existente en Chile 75 fue construido sin consideraciones teacutermicas
y de eficiencia energeacutetica dicha situacioacuten provoca que el usuario asuma el costo
del consumo energeacutetico para mantener la vivienda en zona confort (Wegertseder
2015)
Se estima que el sector de la construccioacuten es el responsable de generar
el 33 del total de emisiones de gases de efecto invernadero (MINVU 2018)
A traveacutes de un estudio realizado el antildeo 2019 por la Caacutemara Chilena de
la Construccioacuten sobre los usos de la energiacutea en el sector residencial declara que
el 53 del consumo total de la vivienda chilena es destinado a calefaccioacuten (CDT
2019)
Una forma eficiente de reducir el consumo de energiacutea para calefaccioacuten o
refrigeracioacuten en los espacios es aumentar la inercia teacutermica de un edificio De
esta manera las temperaturas interiores son menos sensibles a las variaciones
de la temperatura exterior y se requiere menos energiacutea para mantenerlas en el
rango de confort teacutermico Un edificio con una estructura de marco de concreto
tendraacute una mayor inercia teacutermica que un edificio con una estructura de marco de
acero o madera (Soares N Costa J J Gaspar A R amp Santos P 2013) Una
forma de aumentar la inercia teacutermica de un edificio es utilizar el almacenamiento
de calor latente (LHS) que es la energiacutea que almacena un material cuando sufre
un cambio de fase (Akeiber H Nejat P Majid M Z A Wahid M A
Jomehzadeh F Zeynali Famileh IZaki S A 2016)
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
El material de cambio de fase (PCM) es un tipo de material que
experimenta un cambio de fase en este caso de liacutequido a soacutelido a una
temperatura dentro del rango de confort teacutermico Este tipo de material tiene la
capacidad de almacenar grandes cantidades de energiacutea en comparacioacuten con los
materiales de construccioacuten tradicionales que solo almacenan calor sensible Por
ejemplo una pared que contiene PCM con 25 mm de espesor almacena
aproximadamente la misma energiacutea que una pared de concreto con 420 mm de
espesor (Al-Saadi S N amp Zhai Z 2013) Los PCM tienen un gran potencial
para aumentar la inercia teacutermica de un edificio debido a su gran LHS por lo tanto
son especialmente uacutetiles en edificios de construccioacuten livianas en seco como
estructuras reticulares en madera o acero galvanizados (Marin P Saffari M de
Gracia A Zhu X Farid M M Cabeza L F amp Ushak S 2016) Esto permite
que el edificio tenga menor peso un aacuterea uacutetil mayor y auacuten mantenga una alta
inercia teacutermica
Cuando los PCM cambian su estado de liacutequido a soacutelido liberan calor
latente y cuando cambian de soacutelido a liacutequido absorben calor latente Cuando este
proceso ocurre a una temperatura entre 19-27 degC el material contribuye a
aumentar el confort teacutermico porque ayuda a mantener la temperatura interna
dentro de este rango Durante el diacutea cuando hay demasiadas ganancias de
radiacioacuten solar este material cambia su fase de soacutelido a liacutequido absorbiendo
calor y evitando un aumento significativo de la temperatura interior Por la noche
cuando la temperatura exterior baja el material cambia su fase de liacutequido a
soacutelido liberando calor y evitando una gran disipacioacuten de energiacutea en el interior de
la vivienda (Jamil H Alam M Sanjayan J amp Wilson J 2017)
Durante el verano puede ocurrir un sobrecalentamiento en el muro y
hacer que se use un PCM que se derrita a altas temperaturas (alrededor de
26 degC) ya que evitaraacute que la temperatura de una habitacioacuten elevaacutendose por
encima del rango de confort teacutermico Si el objetivo es la estabilizacioacuten de la
temperatura interior en la zona de confort un PCM que se derrita a 23 degC deberiacutea
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
ser la mejor opcioacuten En el invierno puede ser necesario evitar que la temperatura
de una habitacioacuten baje por debajo del rango de confort teacutermico y en este caso
se recomienda un PCM que solidifique alrededor de 21 degC (Soares N Gaspar
A R Santos P amp Costa J 2014)
Esta tecnologiacutea no solo tiene el potencial de ahorrar cantidades
considerables de energiacutea y emisiones de CO2 sino que tambieacuten se puede utilizar
para aprovechar los precios pico de electricidad utilizando las unidades de aire
acondicionado cuando hay una menor demanda en la red eleacutectrica Por ejemplo
en invierno la unidad de aire acondicionado (AC) podriacutea funcionar durante la
noche produciendo calor que seriacutea absorbido por el tablero PCM y luego liberado
por eacutel durante el diacutea cuando los precios de la electricidad son mucho maacutes altos
(Devaux P amp Farid M 2017) Esto tambieacuten como la ventaja de evitar el ruido y
las corrientes de aire causadas por las unidades de CA durante las horas de
trabajo de una oficina
Aunque esta tecnologiacutea tiene un gran potencial en almacenar energiacutea
con respecto a otros materiales existe el problema de la baja transferencia de
calor porque estos materiales generalmente tienen baja conductividad teacutermica lo
que hace que la absorcioacuten y liberacioacuten de calor por parte del PCM sea mucho
maacutes difiacutecil (Fan L amp Khodadadi J M 2011)
Para aprovechar la gran capacidad de almacenamiento de calor latente
la temperatura de una zona debe estar cerca de la temperatura de cambio de
fase de lo contrario un PCM solo almacena calor sensible que es insignificante
en comparacioacuten al calor latente (Chwieduk 2013)
Investigadores concluyen sobre acondicionamiento teacutermico en
envolventes de viviendas utilizando materiales de cambio de fase que la
implementacioacuten adecuada de los PCM en una edificacioacuten puede un 35 reducir
el consumo energeacutetico y por lo tanto es posible usar equipos de
acondicionamiento teacutermico de menor potencia e incluso prescindir de ellos (Bello
R E Muntildeoz M M Vasco C 2015)
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
En el desarrollo de aplicaciones para los PCM un investigador disentildeoacute un
muro con material de cambio de fase y para probar su funcionamiento utilizoacute dos
habitaciones ideacutenticas En la primera habitacioacuten los muros teniacutean un enlucido de
yeso normal y en la segunda habitacioacuten el muro poseiacutea una placa de yeso
revestido con micro encapsulacioacuten de PCM (50 butil estearato y 48 palmitato
de butilo) Resultoacute que la habitacioacuten con material cambio de fase una reduccioacuten
energeacutetica de 22 (Scalat S Banu D Hawes D Paris J Haghighata F
Feldman D 1996)
Los investigadores a nivel mundial han creado estrategias para
solucionar el consumo energeacutetico En Chile auacuten no se analiza en forma
sistemaacutetica considerando que seriacutea de gran ayuda para disminuir el consumo
energeacutetico residencial
Por todo lo anteriormente mencionado se establece que esta
investigacioacuten estaraacute orientada al estudio de materiales con cambio de fase
simulando su comportamiento teacutermico de una vivienda en estudio ubicada en la
ciudad de Concepcioacuten de la regioacuten del Biacuteo-Biacuteo utilizando el software Energy Plus
12 Preguntas de investigacioacuten
iquestEs posible disminuir la demanda energeacutetica de una vivienda en estudio
incorporando materiales con cambio de fase
iquestQueacute material PCM es conveniente utilizar en los muros de la vivienda en
estudio
iquestQueacute comportamiento tendraacuten los PCM en la simulacioacuten
13 Hipoacutetesis
Se puede mejorar la habitabilidad y reducir un 30 la demanda energeacutetica
de una vivienda en estudio en la ciudad de Concepcioacuten mejorando el
almacenamiento teacutermico de sus muros incorporando material con cambio de fase
(PCM)
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
14 Objetivos
141 Objetivo general
Proponer una metodologiacutea de evaluacioacuten en funcioacuten de la realidad local
que permitiraacute analizar la potencialidad en aplicar los materiales cambio de fase
en las construcciones chilenas contribuyendo a mejorar las condiciones de
habitabilidad
142 Objetivos especiacuteficos
Identificar materiales con cambio de fase (PCM) utilizados como estrategia
de calefaccioacuten pasiva en edificacioacuten Con la validacioacuten de todos los
reglamentos en Chile
Definir el sistema constructivo del muro exterior en cuanto a la ubicacioacuten
del PCM
Definir materiales con cambio de fase en relacioacuten de sus propiedades
teacutermicas para realizar simulacioacuten energeacutetica
Definir metodologiacutea de caacutelculo y estimar ahorros energeacuteticos para la zona
en funcioacuten del material base
Obtener simulaciones de demanda energeacutetica para la vivienda en estudio
con y sin materiales de cambio de fase incorporados en sus muros
mediante el software Energy Plus
Optimizar el disentildeo de la solucioacuten constructiva con PCM en relacioacuten a los
datos de la zonificacioacuten
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
CAPITULO II MARCO TEOacuteRICO
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
21 Marco Teoacuterico
A continuacioacuten se nombraraacute conceptos esenciales que aborda la
investigacioacuten tales como aislacioacuten teacutermica conductividad teacutermica confort
teacutermico y Inercia teacutermica
Cabe de destacar que la inercia teacutermica juega un papel importante en los
sistemas de calefaccioacuten pasiva ya que el retraso teacutermico puede ser mayor o
menor dependiendo el espesor y materialidad
La inercia teacutermica permite ir liberando el calor acumulado en los elementos
compuestos por materiales pesados en la vivienda de manera tal que durante
la noche cuando la temperatura desciende esta baja sea amortiguada por el calor
cedido
En el verano la envolvente se encuentra expuesta a la radiacioacuten solar y al
soleamiento por lo tanto debe ser capaz de almacenar el calor obtenido desde
el exterior y asiacute evitar que la temperatura en el interior del recinto sea elevada
durante el diacutea generando una peacuterdida de confort (CCHC 2010)
22 Materiales con cambio de fase (PCM)
Un PCM es una sustancia capaz de almacenar y liberar energiacutea del medio
que le rodea manteniendo la temperatura constante durante la transferencia de
calor Este intercambio de energiacutea se denomina calor latente de un material y se
produce durante el cambio de fase del mismo El intereacutes de estos materiales es
que durante el cambio de fase la temperatura media se mantiene constante
mientras el material absorbe o libera energiacutea durante la etapa de fusioacuten o
solidificacioacuten del material Esto supone una mayor densidad energeacutetica en este
proceso respecto a un intercambio por calor sensible
En una investigacioacuten sobre PCM afirma que estos mediante su calor
latente de fusioacuten almacenan de 5 a 14 veces maacutes calor por unidad de volumen
que materiales por almacenamiento de calor sensible como el agua albantildeileriacutea
o rocas entre otras (Sharma 2009)
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
Para la investigacioacuten se estudioacute materiales cambio fase de estado liacutequido-
solido ya que aunque la cantidad de energiacutea almacenada es inferior que entre
otros cambios de estado (solido-gas) la variacioacuten de volumen del estado es
menor
221 Funcionamiento
La mejor forma para explicar el funcionamiento de estos materiales es
estudiando el proceso de cambio de fase del agua en estado liacutequido el agua va
aumentando su temperatura progresivamente hasta alcanzar los 100degC Una vez
alcanza esta temperatura empieza su cambio de estado en el cual absorberaacute
calor pero mantendraacute una temperatura constante de 100degC hasta que finalice su
cambio de fase y todo el liacutequido se haya convertido en vapor De manera inversa
ocurre cuando la temperatura del agua disminuye hasta alcanzar los 0degC En este
caso el agua empezaraacute a liberar calor y durante este proceso mantendraacute su
temperatura constante en 0degC hasta que complete su solidificacioacuten y todo el
liacutequido se haya convertido en hielo (B Zalba J Marin L Cabeza y H Mehling
2003)
En la Figura 21 se observa coacutemo la temperatura se mantiene constante
en 0degC formando una recta horizontal durante su cambio de fase y posteriormente
en 100degC hasta que se convierte en vapor
Figura 21 Diagrama de proceso de cambio de fase Hielo ndash Vapor
Fuente (B Zalba J Marin L Cabeza y H Mehling 2003)
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
Del mismo modo actuacutean los PCM cada uno tiene su propia temperatura
de cambio de fase y gracias a las variaciones de temperatura entre el diacutea y la
noche ocurren los ciclos de fusioacuten y solidificacioacuten de estos materiales resultando
en la absorcioacuten maacutexima de energiacutea durante el diacutea cuando las temperaturas
suben y la disipacioacuten de eacutesta en la noche cuando la temperatura ambiente baja
La energiacutea utilizada para cambiar el estado del material dado que la temperatura
de cambio de fase es aproximada a la temperatura ambiente de confort deseada
daraacute lugar a un clima interior maacutes estable y coacutemodo asiacute como tambieacuten reduciraacute
las cargas de enfriamiento y calefaccioacuten en horas pico especialmente en
aquellas edificaciones con baja masa teacutermica (S E Kalnaes and B P Jelle
2015)
222 Propiedades
A continuacioacuten se describiraacuten las propiedades maacutes relevantes que definen un
material de cambio de fase (Oroacute 2012)
a) Propiedades Termofisica
Temperatura de fusioacuten (Tf) en el rango de funcionamiento seguacuten la
aplicacioacuten
Alto calor latente de fusioacuten (ΔHf) por unidad de volumen
Alto calor especiacutefico para proporcionar calor sensible adicional
significativo
Alta conductividad teacutermica en fase soacutelida y liacutequida (buena transferencia de
calor)
Baja variacioacuten de volumen en el cambio de fase y baja presioacuten de vapor a
la temperatura de funcionamiento
Fusioacuten congruente del material de cambio de fase con cada ciclo de
solidificacioacutenfusioacuten con el miacutenimo sub-enfriamiento
Cambio de fase ciclo continuo con termino de vida uacutetil
Alta densidad
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
b) Propiedades quiacutemicas
Ciclo de solidificacioacutenfusioacuten reversible y completo
Baja degradacioacuten despueacutes de un elevado nuacutemero de ciclos de
fusioacutensolidificacioacuten
No corrosivo para los materiales encapsulados
No toacutexico no inflamable y no explosivo
c) Econoacutemicas
Abundante y disponible
Rentable en relacioacuten al ahorro energeacutetico y costos del material
Faacutecil reciclaje y tratamiento quiacutemicos
223 Almacenamiento de energiacutea teacutermica
La necesidad de almacenamiento energeacutetico y de buscar formas de
acondicionamiento pasivo es lo que inspira a la investigacioacuten a centrarse en el
almacenamiento teacutermico Es fundamental para el desarrollo del paiacutes disminuir la
demanda energeacutetica sin sacrificar el confort (PRIEN 2002)
En esta seccioacuten de la investigacioacuten se daraacute a conocer las formas de
almacenamiento teacutermico existentes y dando eacutenfasis al almacenamiento
energeacutetico por calor latente donde pertenecen los materiales de cambio fase
(PCM)
El equilibrio termodinaacutemico de los PCM se debe principalmente a los
intercambios de calor con el entorno externo El tiempo para que el PCM alcance
el nuevo equilibrio termodinaacutemico es el tiempo necesario para que el calor sea
intercambiado con el espacio a climatizar Los paraacutemetros baacutesicos de los
materiales de cambio de fase incluyen seguacuten ecuacioacuten (1)
bull Capacidad caloriacutefica [J kg]
119876 = int 119862119901119904 119889119905 + 119862119898 + int 119862119901119897 119889119905 cong 119862119901119904(119879119898 minus 1198791) + 119862119898 + 1198792
119879119898
119879119898
1198791
119862119901119897(1198792 minus 1198791)
Ec 1
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
Donde 119862119901119904 o 119862119901119897 Calor especiacutefico soacutelido y liacutequido kJ(kg times K) 119862119898 Calor
de transformacioacuten de fase (fusioacuten) kJ(kg times K) Tm - temperatura de transicioacuten
de fase (fusioacuten) T1 T2 rango de temperatura de funcionamiento de operacioacuten
224 Clasificacioacuten
Actualmente existe un gran nuacutemero de materiales cambio fase que han
sido investigados debido a que poseen una temperatura y un alto calor latente
de fusioacuten dentro del rango operacional deseado sin embargo exceptuando por
esta caracteriacutestica la mayoriacutea de estos materiales no satisfacen los otros
criterios necesarios para un medio de almacenamiento adecuado (Sharma
2009)
Aquellos que siacute responden a estas prestaciones y se encuentran disponibles en
el mercado pueden ser clasificados en tres grandes grupos orgaacutenicos
inorgaacutenicos y euteacutecticos (V Tyagi amp D Buddhi 2007)
Figura 22 Clasificacioacuten de los Materiales Cambio Fase
Fuente Elaboracioacuten Propia
Materiales Cambio Fase
Organico
Parafina Acido Graso
Inorganico
Sal Hidratada
Metalico
Eutectico
Inorganico -Inorganico
Inorganico -Organico
Organico -Organico
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
Los materiales de cambio de fase liquido-solido maacutes comunes estaacuten en el
rango de temperaturas entre 20degC y 80 degC son las ceras de parafina sales
hidratadas mezclas euteacutecticas y aacutecidos grasos
Las ceras de parafina estaacuten disponibles en el mercado pero su calor
latente (hasta 200 kJkg) es solo la mitad del de las sales hidratadas
Las sales hidratadas son maacutes econoacutemicas que las ceras de parafina y
tambieacuten estaacuten disponibles en el mercado pero tienen algunas desventajas como
las bajas temperaturas de fusioacuten o la corrosioacuten en contacto con metales
En las mezclas euteacutecticas intervienen dos componentes con punto de
fusioacuten (solidificacioacuten) maacutes bajo que el que poseen los compuestos
individualmente Esto hace que la mezcla alcance el punto de congelacioacuten maacutes
bajo posible y ambos se solidifiquen a esa temperatura euteacutectica (Ramiacuterez A
Santos A amp Gonzaacutelez N 2012)
Los PCM tienen una significativa capacidad de almacenar calor por medio
del cambio de estado pero es necesario tener en cuenta los paraacutemetros de
disentildeo del problema y las ventajas y desventajas de los diferentes tipos de
materiales para determinar cuaacuteles son los maacutes apropiados de utilizar en la
construccioacuten dependiendo de sus diferentes caracteriacutesticas y maacutes importante
aun dependiendo de si su temperatura de cambio de fase se acerca a la
temperatura de confort
2241 PCM inorgaacutenicos sales hidratadas
Seguacuten varios investigadores estos materiales fueron muy estudiados en
las primeras etapas de investigacioacuten de PCM por su bajo costo y su capacidad
de almacenamiento de grandes cantidades de calor por unidad de volumen en
comparacioacuten con las sustancias orgaacutenicas que las convierten en candidatos
idoacuteneos para sus muacuteltiples aplicaciones en el aacutembito del almacenamiento de
energiacutea
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
La buacutesqueda de sustancias con temperatura de cambio de fase proacutexima a
la temperatura ambiente no ha encontrado buenos candidatos dentro de este
grupo y las investigaciones se han dirigido maacutes hacia las sustancias orgaacutenicas
Tabla 21 Ventajas e inconvenientes de los PCM inorgaacutenicos
Ventajas Inconvenientes
Econoacutemicos Problemas en el encapsulado y preparacioacuten
del material
Elevada densidad de
almacenamiento teacutermico
Para un uso prolongado necesita de aditivos
Elevada conductividad teacutermica Son susceptibles de sub enfriamiento
(Inestables)
Temperatura de cambio de fase
claramente definida
Debido a la inestabilidad teacutermica y histeacuteresis
se debe aplicar aditivos para evitar una fusioacuten
incongruente en su aplicacioacuten donde puede
reducir su capacidad de almacenamiento de
calor latente
No inflamables Potencialmente corrosivos con algunos
metales
Reciclables y biodegradables
Fuente (Ramiacuterez A Santos A amp Gonzaacutelez N 2012)
Las sales hidratadas tienen algunas propiedades atractivas como los
elevados valores de calor latente no son inflamables y su elevado contenido
hiacutedrico significa que son baratos y muy disponibles Sin embargo sus
caracteriacutesticas de inadaptacioacuten (corrosioacuten inestabilidad dificultades de re-
solidificacioacuten y tendencia al sub enfriamiento) han implicado la realizacioacuten de
estudios hasta la actualidad para poder manejar estas desventajas y realizar su
correcta aplicacioacuten Necesitan por tanto un contenedor para utilizarlos como
aditivos de otros materiales (Ramiacuterez A Santos A amp Gonzaacutelez N 2012)
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
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Diego Sarabia Meacutendez
Tabla 22 Temperatura de fusioacuten de algunas sales hidratadas
PCM Temperatura
fusioacuten (ordmC)
Q fusioacuten (kJkg)
KFmiddot4H2O 185 231
Na2SO4middot10H2O 324 254
CaCl2middot6H2O 24ndash29 192
CaCl2middot6H2O+Nucleador+MgCl2middot6H2O 23 -
Fuente (Ramiacuterez A Santos A amp Gonzaacutelez N 2012)
En la tabla 21 se muestran algunas ventajas y desventajas de los PCM
inorgaacutenicos y en la tabla 22 se muestran las temperaturas de fusioacuten de las sales
hidratadas que permiten determinar cuaacuteles son las oacuteptimas para utilizar en
aislacioacuten (las cuales su temperatura de fusioacuten se acerca a la temperatura de
confort)
2242 PCM orgaacutenicos parafinas aacutecidos grasos y mezclas orgaacutenicas
Los PCM orgaacutenicos poseen unas caracteriacutesticas que los hacen muy uacutetiles
en su aplicacioacuten en determinados elementos constructivos para almacenamiento
de calor latente
Investigadores determinaron que son maacutes estables quiacutemicamente que las
sustancias inorgaacutenicas funden y solidifican convenientemente sin necesidad de
agentes nucleadores y no sufren sub-enfriamiento o histeacuteresis (Gawron 1981)
No obstante se ha demostrado que son maacutes compatibles y adecuados para la
adsorcioacuten en varios materiales constructivos Aunque el costo inicial en materia
prima de un PCM orgaacutenico es superior al de un inorgaacutenico su costo final es
competitivo
Sin embargo estos materiales tienen otras desventajas la maacutes
significativa es que son inflamables y que emiten gases nocivos durante su
combustioacuten Otros problemas menos extendidos son las reacciones con los
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
productos de la hidratacioacuten en hormigoacuten (hidroacutexido de calcio) envejecimiento por
oxidacioacuten y cambios de olor
Muchos de estos inconvenientes se han eliminado Se ha visto que el
envejecimiento por oxidacioacuten de los PCM puede inhibirse utilizando un oxidante
adecuado Se estaacute investigando tambieacuten en la emisioacuten de gases y la
inflamabilidad de algunos de los PCM maacutes efectivos para establecer un radio de
ignicioacuten Tambieacuten se estaacute investigando sobre la compatibilidad de los PCM con
el hormigoacuten (Ramiacuterez A Santos A amp Gonzaacutelez N 2012)
En la tabla 23 se muestran algunas ventajas y desventajas de los PCM
orgaacutenicos y en la tabla 24 y 25 se muestran las temperaturas de fusioacuten de las
parafinas y aacutecidos grasos que permiten determinar cuaacuteles son las oacuteptimas para
utilizar en aislacioacuten (las cuales su temperatura de fusioacuten se acerca a la
temperatura de confort)
Tabla 23 Ventajas e inconvenientes de los PCM orgaacutenicos
Ventajas Inconvenientes
Faacuteciles de usar Calor latente y entalpiacutea maacutes bajos
Estabilidad teacutermica y quiacutemica Baja conductividad teacutermica
No sufren subenfriamiento Amplio rango de fusioacuten
No necesitan agente nucleador para
solidificar
Inflamables
No corrosivos Reaccioacuten potencial con hormigoacuten
Reciclables y ecoloacutegicamente inocuos Alto costo
Compatibilidad con materiales de construccioacuten convencionales
Fuente (Ramiacuterez A Santos A amp Gonzaacutelez N 2012)
Dentro de los PCM orgaacutenicos se pueden encontrar tres grupos de
sustancias diferentes parafinas aacutecidos grasos y mezclas orgaacutenicas A
continuacioacuten se presenta una pequentildea descripcioacuten de estos (Ramiacuterez A
Santos A amp Gonzaacutelez N 2012)
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
22421 Parafinas
Las parafinas son esencialmente un alcalino solido refinado Muestran dos
rangos de enfriamiento un rango maacutes estrecho para un breve periodo de tiempo
y un rango maacutes extenso que ocurre durante un periodo maacutes amplio Ambos se
interpretan como una transicioacuten de liacutequido a amorfo-soacutelida y amorfo-solida a
cristalino-solida respectivamente Parte del calor latente total de fusioacuten se
almacena en la sustancia durante cada una de estas transiciones
Tabla 24 Temperatura de fusioacuten de algunas parafinas
PCM Temperatura fusioacuten (ordmC) Q fusioacuten (kJkg)
Hexadecano 18 236
Heptadecano 22 214
Octadecano 28 244
Parafina 20ndash60 200
RT25 25 147
Fuente (Ramiacuterez A Santos A amp Gonzaacutelez N 2012)
22422 Aacutecidos Grasos
Los aacutecidos grasos derivados de productos animales y vegetales estaacuten
constituidos por una larga cadena alifaacutetica maacutes de 12 carbonos Su cadena
alquiacutelica puede ser saturada o insaturada
En general muestran excelentes caracteriacutesticas teacutermicas (punto de fusioacuten
y congelacioacuten) El rango de temperatura de refrigeracioacuten es grande y no se
produce sub enfriamiento aunque en algunos casos se han detectado Estos
materiales sin embargo tienen elevado costo pudieacutendose utilizar en dispositivos
especiales de almacenamiento de calor o frio
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
Tabla 25 Temperatura de fusioacuten de algunos aacutecidos grasos
PCM Temperatura fusioacuten (ordmC) Q fusioacuten (kJkg)
Caacuteprico 315 158
Laacuteurico 42-44 179
Pentadecano 52 159
Miriacutestico 54 190
Palmiacutetico 63 183
Esteaacuterico 70 196
Eritrol 116-118 126
Fuente (Ramiacuterez A Santos A amp Gonzaacutelez N 2012)
2243 Mezclas euteacutecticas
Tambieacuten existen las mezclas euteacutecticas que puede ser la mezcla de 2
PCM orgaacutenicos de 2 PCM inorgaacutenicos o de un PCM Orgaacutenico maacutes un PCM
inorgaacutenico A continuacioacuten en la tabla 26 se muestra la clasificacioacuten de los PCM
Tabla 26 Clasificacioacuten de los PCMs
Tipo PCM Composicioacuten
Orgaacutenicos Compuestos de parafina
Compuestos sin parafina
Inorgaacutenicos Sales hidratadas
Metaacutelicos
Euteacutecticos Orgaacutenico-Orgaacutenico
Orgaacutenico-Inorgaacutenico
Inorgaacutenico-Inorgaacutenico
Fuente (JuarezD Balart R Ferrandiz S amp Garcia D 2012)
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
33
Diego Sarabia Meacutendez
23 Criterios de seleccioacuten de los Materiales con Cambio se Fase
Es muy importante la correcta seleccioacuten del material de cambio de fase
dependiendo del campo en que se desee utilizar por lo que a continuacioacuten se
presentaran algunos criterios para seleccionar un PCM correctamente Estos
criterios son propuestos seguacuten una investigacioacuten realizada en Espantildea (Ramiacuterez
A Santos A amp Gonzaacutelez N 2012)
a) Fiacutesicas
bull La densidad del liacutequido y del solido deben ser similares y preferiblemente
elevadas para poder almacenar mayor cantidad de calor por unidad de volumen
bull Variacioacuten de volumen (en el cambio de fase) bajo
b) Cineacuteticas
bull Evitar el problema de histeacuteresis subenfriamiento o retardo al inicio de la
solidificacioacuten como ocurre en los PCM inorgaacutenicos que se produce al no ceder
el calor latente de un PCM pese a que su temperatura sea inferior al punto de
congelacioacuten
c) Quiacutemicas
bull El proceso de cambio de fase debe ser totalmente reversible y solo dependiente
de la temperatura
bull Ser quiacutemicamente estables en el tiempo evitando su descomposicioacuten y
contaminacioacuten
bull No presentar segregacioacuten de fases
bull Ser compatibles con los materiales de encapsulado y otros con los que esteacute en
contacto estabilidad quiacutemica para evitar oxidacioacuten descomposicioacuten teacutermica
hidroacutelisis corrosioacuten y otras reacciones
bull No inflamables y resistentes al fuego
d) Teacutermicas
bull La temperatura de cambio de fase debe ser adecuada a cada aplicacioacuten
particular
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
34
Diego Sarabia Meacutendez
bull Presentar una temperatura de fusioacuten definida o al menos el cambio de fase
debe producirse en un valor discreto o en un pequentildeo intervalo de temperaturas
bull Poseer una gran capacidad de almacenamiento de calor sensible (calor
especiacutefico) en estado soacutelido y liacutequido y elevada entalpia de cambio de fase calor
latente
bull Poseer una alta conductividad teacutermica para facilitar la transferencia de calor
e) Econoacutemicas
bull Estar disponible en grandes cantidades a bajo costo para que sean viables
teacutecnica y econoacutemicamente
bull Tener un razonable ciclo de vida uacutetil de acuerdo con su costo
24 Vida uacutetil del material cambio fase
El tiempo de vida uacutetil de un PCM viene determinado por la cantidad de
ciclos teacutermicos que es capaz de soportar un material manteniendo su estabilidad
teacutermica El PCM es sometido a repetidos ciclos de calentamiento y enfriamiento
en los que el material cambia de fase de soacutelido a liacutequido y posteriormente vuelve
a cambiar de fase de liacutequido a soacutelido Se miden sus propiedades teacutermicas en
temperaturas fusioacuten y entalpias obteniendo el nuacutemero de ciclos en los que las
propiedades teacutermicas del material no variacutean de forma considerable
Tras realizar una exhaustiva buacutesqueda existe muy poca bibliografiacutea
acerca de la degradacioacuten teacutermica de los PCM y la determinacioacuten de su tiempo de
uso especialmente en aplicaciones para edificacioacuten donde la vida uacutetil del material
debe ser elevada
Aunque es complicado conocer la vida uacutetil real de estos materiales y en
queacute momento dejan de conservar sus propiedades adecuadas para las
aplicaciones a las que se destina existen algunos artiacuteculos basados en
experimentos realizados en laboratorios de materiales sometidos a ciclos
teacutermicos acelerados para determinar si en un nuacutemero de ciclos el material
mantiene sus propiedades teacutermicas intactas (temperaturas fusioacuten y entalpias)
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
35
Diego Sarabia Meacutendez
Algunos materiales son sometidos a 50 100 1000 o hasta 5000 ciclos teacutermicos
Pero el problema es determinar si ese maacuteximo de 5000 ciclos es suficiente para
asegurar que un material seguiraacute cumpliendo su funcioacuten Hasta el momento no
se ha encontrado en la literatura ninguna investigacioacuten donde se ensaye el
material un nuacutemero suficiente de ciclos hasta la peacuterdida de sus propiedades
teacutermicas para poder conocer su vida uacutetil o el nuacutemero de ciclos que es capaz de
soportar el PCM hasta su degradacioacuten
Por todo lo anteriormente expuesto en esta investigacioacuten se ha
considerado la vida uacutetil del material como el mayor nuacutemero de ciclos soportados
por un material obtenidos a partir de los estudios realizados por diferentes autores
en la literatura o fabricante a pesar de no haber llegado a degradarse en su
totalidad
25 Aplicacioacuten en la construccioacuten
El sector de la construccioacuten es el que maacutes beneficios puede obtener de la
utilizacioacuten de materiales con cambio de fase (PCM) ya que tiene importantes
beneficios en ahorro energeacutetico reducir la contaminacioacuten de CO2 y optimizar la
inercia teacutermica en las edificaciones con el objetivo de mejorar la habitabilidad de
los usuarios
La temperatura interior en un edificio depende de las condiciones
exteriores interiores y de las caracteriacutesticas teacutermicas de la edificacioacuten como la
capacidad teacutermica de los materiales que tiene un efecto como el mostrado en la
figura 23 el cual no considera un sistema activo en su anaacutelisis
Figura 23 Estabilizacioacuten de la temperatura interior por el efecto inercia teacutermica
Fuente (M Kenisarin amp K Mahkamov 2007)
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
Actualmente la mayoriacutea de los materiales de construccioacuten son livianos lo
que trae como consecuencia una baja capacidad caloriacutefica La introduccioacuten de
materiales de cambio de fase puede aumentar la inercia teacutermica del edificio sin
aumentar mucho su peso Sin embargo es necesario disponer de aacuterea de
transferencia de calor suficiente para liberar esa energiacutea (Dincer I amp Rosen M
2002) y es imprescindible que se pueda descargar el material por medio de la
ventilacioacuten durante la noche para prevenir el sobrecalentamiento en los
elementos con PCM (M Kenisarin amp K Mahkamov 2007)
La Figura 24 muestra una comparacioacuten entre el espesor de material
requerido para obtener la misma capacidad teacutermica que la obtenida con un
centiacutemetro de PCM
Figura 24 Espesor requerido de distintos materiales Vs Energiacutea teacutermica
Fuente (M Kenisarin amp K Mahkamov 2007)
Las caracteriacutesticas requeridas para el empleo de materiales de cambio de
fase en la edificacioacuten son
0 5 10 15 20 25 30 35 40
Yeso
Madera
Hormigon
Ceramico
Ladrillo
PCM
Espesor (cm)
H (
kJK
g)
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
Temperatura de cambio de fase entre 12 y 25ordmC
Alta estabilidad a los ciclos de cambio de fases debido a la larga vida uacutetil
de los edificios
No corrosivos para reducir el riesgo de fuga de su contenedor y evitar
dantildeos en la estructura del edificio
Considerar la inflamabilidad al fuego y dar soluciones constructivas de
acuerdo a la normativa
Econoacutemicamente viable en funcioacuten de los costos de implementacioacuten y
ahorro energeacuteticos
Una limitacioacuten de los PCM para su aplicacioacuten en la construccioacuten es la
estacionalidad pues el PCM debe ser seleccionado para aplicaciones en
calefaccioacuten pasiva Esta limitacioacuten reduce los beneficios teacutermicos el ahorro
energeacutetico y su viabilidad econoacutemica Investigadores estudiaron un concepto de
doble capa de PCM para que funcionara durante todo el antildeo (A Pasupathy L
Athanasius R Velraj amp RV Seeniraj 2008)
26 Encapsulacioacuten
Uno de los criterios que ha limitado el uso generalizado de los PCM es la
incompatibilidad entre estos materiales y sus contenedores afectando su
estabilidad a largo plazo degradado sus propiedades y provocando la corrosioacuten
de sus recipientes de embalaje Como respuesta a estos inconvenientes han
surgido diferentes teacutecnicas de encapsulacioacuten de los PCM las cuales ofrecen
unas ventajas significativas tales como
Aumento del aacuterea de transferencia de calor
Reduccioacuten de la reactividad hacia el ambiente exterior
Control de los cambios en el volumen eacutestos ocurren dentro de la capsula
No hay absorcioacuten de humedad
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Los meacutetodos de encapsulacioacuten clasificados de acuerdo a su tamantildeo
pueden ser de dos tipos micro y macro encapsulados (Lane 1986)
261 Microcaacutepsulas
Una investigacioacuten menciona que la micro encapsulacioacuten podriacutea definirse
como el proceso de rodear o envolver una sustancia en otra sustancia a escala
muy reducida produciendo caacutepsulas que van desde 1 μm a 1000 μm de diaacutemetro
Los tres estados de la materia (soacutelidos liacutequidos y gases) pueden ser micro
encapsulado
El material de la membrana exterior debe ser compatible con el PCM y a
su vez ser capaz de hacer frente a la tensioacuten mecaacutenica sobre las paredes del
recipiente provocada por las variaciones de volumen durante el cambio de fase
(S E Kalnaeligs amp B P Jelle 2015)
Por lo general los PCM micro-encapsulados se encuentran
comercialmente disponibles en dos formatos dispersioacuten fluida donde las
caacutepsulas son dispersadas en agua o en polvo en mezclas en seco
La figura 25 muestra en teacuterminos practico la conformacioacuten de la
envolvente de poliacutemero en una cera PCM dimensionando el tamantildeo en ellas
Figura 25 Microcaacutepsulas
Fuente (S E Kalnaes and B P Jelle 2015)
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
262 Macrocaacutepsulas
La macro-encapsulacioacuten hace referencia a PCM encapsulados en
cualquier tipo de recipiente tal como tubos esferas o paneles que pueden ser
incorporados en materiales de construccioacuten o que actuacutean como intercambiadores
de calor por siacute mismos El tamantildeo de estos contenedores es por lo general maacutes
de 1 cm3 almacenando desde varios mililitros hasta varios litros La tecnologiacutea
de macro encapsulacioacuten emplea un proceso de encapsulacioacuten de doble capa
creando una caacutepsula con una configuracioacuten en forma de matriz La principal
ventaja de los envases plaacutesticos es la disponibilidad en el mercado y la facilidad
de producirlos en una gran variedad de formas y con pocas restricciones
geomeacutetricas Ademaacutes son compatibles con la mayoriacutea de PCM incluyendo las
sales hidratadas por lo general no presentan degradacioacuten aunque algunos
materiales orgaacutenicos pueden llegar a suavizarlos (S E Kalnaes and B P Jelle
2015)
El PCM se encuentra confinado por la encapsulacioacuten evitaraacute cambios
volumeacutetricos importantes lo que evita varios riesgos y garantiza la integridad del
componente en el que se insertan las caacutepsulas La barrera polimeacuterica puede ser
de otros materiales por ejemplo como aluminio ya que mejora la compatibilidad
con otros materiales de construccioacuten y evita la corrosioacuten Este tipo de aplicacioacuten
es de faacutecil manejo una clara ventaja de este proceso en relacioacuten a los meacutetodos
de impregnacioacuten e inmersioacuten del iacutetem anterior
Figura 26 Caacutepsulas de macro PCM (Contenedor plano Esfera Placas de
barra doble y placas de aluminio)
Fuente (S E Kalnaeligs amp B P Jelle 2015)
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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CAPITULO III MEacuteTODOS Y METODOLOGIacuteA
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
En este estudio la evaluacioacuten se centra en el anaacutelisis de optimizacioacuten de
la aplicacioacuten PCM a los muros exteriores y dimensionamiento del rendimiento
teacutermico de una vivienda en estudio
Los modelos generados en el software Energy Plus se ingresoacute valores de
los sistemas constructivos de la vivienda en estudio condiciones climaacuteticas
caracterizacioacuten PCM en muros exteriores y caracterizacioacuten macro encapsulacioacuten
de acuerdo con las directrices (DOE 2016) se explica en las siguientes secciones
del capiacutetulo
31 Herramienta de simulacioacuten de energiacutea
Para evaluar los PCM de comportamiento teacutermico variable de la vivienda
en estudio con y sin PCM se utilizoacute el software EnergyPlus v 87
En teacuterminos generales el software puede evaluar una variedad de caacutelculos
destacados como los caacutelculos de puentes teacutermicos HVAC integrado y
simulaciones de carga de construccioacuten confort teacutermico y materiales con
conductividad teacutermica variable como el PCM (DB Crawley LK Lawrie FC
Winkelmann WF Buhl YJ Huang amp CO Pedersen 2001) Ademaacutes hay
muchas opciones para la conveccioacuten de la superficie interior y exterior
algoritmos infiltracioacuten avanzada e ventilacioacuten energiacutea desarrollada costos del
ciclo de vida algoritmos avanzados de confort teacutermico como como la calidad del
aire interior y el confort teacutermico para los ocupantes (DB Crawley JW Hand M
Kummert amp BT Griffith 2008)
Para analizar el comportamiento teacutermico variable de los PCM en estudio
se utilizoacute el algoritmo de diferencia finita de conduccioacuten (CondFD) Este algoritmo
modela la transferencia de calor en presencia de PCM y junto con la ecuacioacuten (2)
discretiza la envolvente del edificio en varios nodos para resolver numeacutericamente
la transferencia de calor en el software se puede escoger ecuaciones por un
esquema totalmente impliacutecito y el Crank-Nicolson que es semi-impliacutecito (KO
Lee 2016)
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
En esta investigacioacuten se utiliza un esquema Crank-Nicolson para simular
PCM para un material homogeacuteneo con espaciado uniforme de nodos como se
muestra en la ecuacioacuten (2) (3) y (4) extraiacutedo del manual del software
EnergyPlus (DOE 2016)
119862119901120588∆119909119879119894
119895+1minus 119879119894
119895
∆119905= (119896119908
119879119894+1119895+1
minus 119879119894119895+1
∆119909+ 119896119864
119879119894minus1119895+1
minus 119879119894119895+1
∆119909+ 119896119908
119879119894+1119895
minus 119879119894119895
∆119909+ 119896119864
119879119894minus1119895
minus 119879119894119895
∆119909)
Ec 2
∆119909 = radic119888120572∆119905 Ec 3
Donde Cp y ρ son el calor especiacutefico y la densidad del material Δ119909 es el
espesor de capa de diferencia finita Δ119905 es el paso de tiempo 119879 es la temperatura
de un nodo 119894 119894 + 1 y 119894 minus 1 son los nodos adyacentes al interior y exterior
respectivamente de una capa de material 119895 y 119895 + 1 son los pasos de tiempo
anterior y nuevo 119896119908 y 119896119864 representan las conductividades teacutermicas 119896119908 =
119896119894+1119895+1
+119896119894119895+1
2 y 119896119864 =
119896119894minus1119895+1
+119896119894119895+1
2 120572 es la difusividad teacutermica del material y 119888 es la
constante de discretizacioacuten del espacio que puede definir el usuario (3 es el valor
predeterminado para esta constante seguacuten manual)
Esta investigacioacuten considera el uso de paneles PCM por lo tanto el
algoritmo CondFD ecuacioacuten (2) debe combinarse con una funcioacuten de temperatura
de entalpiacutea ℎ = ℎ (119879) estos datos en la funcioacuten se obtendraacuten de acuerdo al estudio
bibliograacutefico El algoritmo usa esta funcioacuten para actualizar el calor especiacutefico
equivalente (119862119901) en cada paso de tiempo como se muestra en la ecuacioacuten (4)
lowast 119862119901(119879) =ℎ119894
119895minus ℎ119894
119895minus1
119879119894119895
minus 119879119894119895minus1
Ec 4
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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32 Descripcioacuten Vivienda en estudio
En este apartado se define los sistemas constructivos de la vivienda en
estudio con y sin PCM para obtener la liacutenea base de comparacioacuten
En la figura 31 se muestra el disentildeo de vivienda en estudio de 56 m2 y
los espacios interiores con su distribucioacuten de aacutereas veacutease en la tabla 31 esta
vivienda se configuro de acuerdo a las soluciones constructivas acreditadas
(MINVU Soluciones constructivas acreditadas al fuego teacutermico y acuacutestico
2020)
Las caracteriacutesticas de la envolvente de la vivienda en estudio cuentan con
la configuracioacuten miacutenima de la reglamentacioacuten teacutermica que actualmente rige en
Chile estaacute establecida en la Ordenanza General de Urbanismo y Construcciones
en su artiacuteculo 4110 y en una zonificacioacuten del paiacutes en zonas teacutermicas seguacuten
grados-diacutea especificados en el manual de aislamiento teacutermico (MINVU Manual
de aplicacioacuten y reglamentacoacuten teacutermica 2017) Los complejos de techumbres
muros perimetrales y pisos inferiores ventilados entendidos como elementos que
constituyen la envolvente de la vivienda deberaacuten tener una transmitancia teacutermica
ldquoUrdquo igual o menor o una resistencia teacutermica total ldquoRtrdquo igual o superior a la
sentildealada para la zona que le corresponda al proyecto de arquitectura de acuerdo
con los planos de zonificacioacuten teacutermica corresponde a zona 4 y se verifica lo
anteriormente expuesto en la tabla 32 cabe sentildealar que los valores de
transmitancia teacutermica se extrajeron de acuerdo a las ecuaciones de balance
teacutermico que estaacute incorporado en el software
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Figura 31 Descripcioacuten Vivienda en estudio
Elaboracioacuten Propia - Software Revit
A continuacioacuten se muestra las dimensiones que tiene cada espacio de las
dos torres del edificio en las siguientes tablas
Tabla 31 Resumen superficies de los distintos espacios vivienda en estudio
Torre A
Lugar Superficie (119950120784) Altura (m)
Dormitorio Primario 8 24
Dormitorio Secundario 7 24
Cocina 9 24
Living - Comedor 28 24
Bantildeo 3 24
TOTAL 56
Fuente Elaboracioacuten Propia
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Tabla 32 Cumplimiento de la envolvente elementos constructivos de la vivienda en estudio
Elemento Materiales (exterior al
interior)
Espesor (m)
Transmitencia teacutermica Valor U (Wm2K)
Transmitencia teacutermica exigida Valor U (Wm2K)
Muro Exterior
Siding
Fibrocemento
0006
0672
17
Plancha OSB 0009
Entramado
madera pino 2x3
0075
Lana de vidrio 005
Caacutemara no
ventilada
(Ubicacioacuten del
PCM)
0026
Placa yeso cartoacuten 0015
Muro Interior
Placa yeso cartoacuten 0015
0677
17
Entramado
madera pino 2x2
0075
Lana de vidrio 005
Placa yeso cartoacuten 0015
Techumbre
Plancha Zincalum 0035
0316
038
Fieltro 0005
Plancha OSB 0009
Entramado madera pino 2x2
0075
Lana de Vidrio 005
Placa yeso cartoacuten 00125
Piso en contacto
con el terreno
Radier Hormigoacuten 02 17 No aplica
Fuente Elaboracioacuten Propia
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Para integrar el PCM con la vivienda en estudio se configuro las
propiedades teacutecnicas y la ubicacioacuten optima interna del PCM al panel externo
constructivo donde se administroacute en el modelo de simulacioacuten veacutease en la Figura
313 y figura 38
321 Meacutetodo de zona en software EnergyPlus
El modelo de construccioacuten creado se utilizoacute el meacutetodo de zona donde
todas las zonas fueron modeladas con informacioacuten completa en construccioacuten
ocupacioacuten equipamiento y HVAC
Al iniciar el modelo se elige la ubicacioacuten y el tipo de anaacutelisis Despueacutes se
debe ingresar un nombre al sitio y a cada zona Ademaacutes se puede asignar varios
edificios bajo el mismo sitio cada uno con su propio nombre Una vez definido lo
anterior se genera bloque que generalmente representa un piso o nivel planta
para este estudio se genera bloque de acuerdo a la figura 32
Figura 32 Modelo de zona en casa de estudio
Fuente Elaboracioacuten Propia
La fase de zonificacioacuten separa las diferentes zonas teacutermicas Para el
modelo cada suite se considera una zona El meacutetodo de zona permite asignar
diferentes horarios operativos a cada zona Cada una de las paredes de cada
bloque se llama superficie y ventanas o puertas como sub-superficies o
aberturas La vivienda se muestra parcialmente en la Figura 33
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Figura 33 Zona y sub-superficie de vivienda en estudio
Fuente Elaboracioacuten Propia
El software da la posibilidad de elegir los materiales utilizados en la
construccioacuten de la vivienda a traveacutes de sus bibliotecas de materiales o pueden
ser creados por el usuario y los materiales elegidos son asignado a las partes
especificadas de la vivienda Estos pasos se repitieron en todos los pisos para
completar todo el modelo de construccioacuten
33 Datos meteoroloacutegicos
El modelo de simulacioacuten se mantuvo en base a los datos meteoroloacutegicos
con formato EPW en Energy plus se definioacute la ubicacioacuten Concepcioacuten Chile Con
el objetivo de evaluar el rendimiento teacutermico y analizar la optimizacioacuten de la
posicioacuten del PCM al muro exterior de la vivienda en estudio Las configuraciones
de los datos meteoroloacutegicos se muestran en la Figura 34
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Figura 34 Configuracioacuten datos meteoroloacutegico
Fuente Elaboracioacuten Propia
34 Jornadas de ocupacioacuten
Para realizar la simulacioacuten energeacutetica se deben definir una serie de
planillas de ocupacioacuten de los recintos uso de luminaria y equipos En estas
planillas de ocupacioacuten se define el ciclo horario para todos los diacuteas del antildeo
Esto se realiza con la finalidad de establecer los periodos en los que
influyen los distintos tipos de cargas internas en la vivienda
A continuacioacuten se adjunta a modo de ejemplo la figura 35 en la cual se
puede ver el menuacute de configuracioacuten de las plantillas de ocupacioacuten
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Figura 35 Planilla de uso horario de un recinto
Fuente Elaboracioacuten propia
35 Configuracioacuten envolvente por elemento y sistemas de climatizacioacuten
Definidos las zonas y multi zonas del modelo se deberaacute configurar los
sistemas constructivos en sus propiedades teacutermicas y dimensiones El software
automaacuteticamente genera el caacutelculo de transmitancia teacutermica anaacutelisis de
condensacioacuten y dimensioacuten en imagen por elemento Veacutease en la figura 36
Para configurar el sistema de climatizacioacuten primero se debe definir los
rangos de temperatura confort teacutermico en la pestantildea de actividades del software
Veacutease figura 37 A continuacioacuten se define el tipo de sistema de climatizacioacuten
definiendo las horas de operacioacuten tipo combustible y rendimiento del sistema
como se muestra en la figura 38
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Figura 36 Planilla configuracioacuten envolvente por elemento
Fuente Elaboracioacuten propia
Figura 37 Planilla configuracioacuten rango de temperatura confort teacutermico
Fuente Elaboracioacuten propia
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Figura 38 Planilla configuracioacuten del tipo de sistema de climatizacioacuten
Fuente Elaboracioacuten propia
36 Caracterizacioacuten PCM
En este estudio se utilizoacute placas PCM tipo orgaacutenico de parafina tiene una
relacioacuten de mezcla de n-octadecano a n-heptadecano seleccionado debido a la
eficiencia energeacutetica con temperatura cercana al confort teacutermico (12ndash26 deg C)
basado en ISO 13790 (KO Lee 2016)
Seguacuten el estado de arte existente se definioacute los tres materiales de cambio
de fase los cuales son candidatos idoacuteneos para utilizar en esta investigacioacuten
Estos materiales han sido estudiados por diversos autores con el fin de obtener
sus propiedades termofiacutesicas y usarlas en la edificacioacuten La razoacuten de utilizar estos
materiales es debido a sus propiedades teacutermicas y el que su temperatura de
fusioacuten es cercana a la temperatura de confort
Ademaacutes la vida uacutetil del PCM es de 13 antildeos seguacuten su ciclo de cambio
fase considerando 365 cambios fase anual el cual se justifica con los costos de
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
inversioacuten al implementar esta tecnologiacutea dependiendo de la magnitud del flujo
de calor el cuaacutel se quiere operar
Las especificaciones teacutecnicas de las placas PCM y el comportamiento de
temperaturas y entalpias de operacioacuten se describen en la tabla 33 las cuales se
vinculan con el algoritmo CondFD de la ecuacioacuten (2) para evaluar su rendimiento
energeacutetico en la vivienda en estudio
361 Seleccioacuten de Materiales Cambio Fase
Tabla 33 Especificaciones teacutecnicas de PCM a utilizar
Caracteriacutesticas RT18HC
Valores Unidades Grafica entalpia y Temperatura
Temperatura de Fusioacuten
18
degC
Almacenamiento de calor
260 [kJkg]
Capacidad calor especifico
2 [kJkgK]
Densidad solido (a los 15degC)
088 [kgl]
Densidad solido (a los 25degC)
077 [kgl]
Conductividad teacutermica
(Ambas fases)
02 [W(mK)]
Expansioacuten de Volumen
125
Maacutexima temperatura operacioacuten
50 degC
Ciclo Cambio fase
5000 -
Caracteriacutesticas RT21HC
Valores Unidades Grafica entalpia y Temperatura
Temperatura de Fusioacuten
21
degC
Almacenamiento de calor
155 [kJkg]
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
53
Diego Sarabia Meacutendez
Capacidad calor especifico
2 [kJkgK]
Densidad solido (a los 15degC)
088 [kgl]
Densidad solido (a los 25degC)
077 [kgl]
Conductividad teacutermica
(Ambas fases)
02 [W(mK)]
Expansioacuten de Volumen
12
Maacutexima temperatura operacioacuten
45 degC
Ciclo Cambio fase
5000 -
Caracteriacutesticas RT22HC
Valores Unidades Grafica entalpia y Temperatura
Temperatura de Fusioacuten
22
degC
Almacenamiento de calor
190 [kJkg]
Capacidad calor especifico
2 [kJkgK]
Densidad solido (a los 15degC)
076 [kgl]
Densidad solido (a los 25degC)
070 [kgl]
Conductividad teacutermica
(Ambas fases)
02 [W(mK)]
Expansioacuten de Volumen
125
Maacutexima temperatura operacioacuten
50 degC
Ciclo Cambio fase
5000 -
Fuente (Rubitherm 2020)
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
54
Diego Sarabia Meacutendez
362 Configuracioacuten del PCM en EnergyPlus
De acuerdo al estudio bibliograacutefico de los materiales cambio fase para
ingresar los datos al software se debe definir las cantidades de temperatura de
operacioacuten identificar el punto de fusioacuten en las graacuteficas de entalpia y temperatura
de la tabla 33 conductividad teacutermica calor especifico densidades y espesor en
el elemento constructivo con el fin de determinar el flujo de calor de operacioacuten
de acuerdo al balance termodinaacutemico de la ecuacioacuten (2) A continuacioacuten se
adjunta a modo de ejemplo la figura 39 en la cual se puede ver el menuacute de
configuracioacuten
Figura 39 Configuracioacuten del PCM en el software
Fuente Elaboracioacuten Propia
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
55
Diego Sarabia Meacutendez
363 Cotizacioacuten PCM RT21
La inversioacuten total del material cambio fase es de $1106679
correspondiente a 160 kg con transporte incluido Se observa que el costo de
transporte afecta considerablemente en su valor (Alemania)
Se realizoacute cotizacioacuten del material RT21 en la empresa alemana Rubitherm
se presenta en la figura 310
Figura 310 Cotizacioacuten del material RT21
Fuente (Rubitherm 2020)
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
56
Diego Sarabia Meacutendez
37 Caracterizacioacuten Macro encapsulacioacuten
En esta seccioacuten la placa de macro encapsulacioacuten utilizada para el PCM
es de materialidad de aluminio veacutease figura 311 esto aumenta la transferencia
de calor en los PCM Son dos placas que estaacuten unidas entre siacute Se unen en dos
puntos centrados y se pegan en sus marcos Pueden ser utilizados para PCM
(orgaacutenico - inorgaacutenico) Por lo tanto se puede ofrecer un rango de temperatura
para una variedad de aplicaciones El grosor depende del volumen de llenado y
por lo tanto de la capacidad de almacenamiento Para el estudio se seleccionoacute
el modelo CSM105 Rubitherm el cual su espesor es de 15 mm y puede
almacenar 2 Kg de PCM por placa
Figura 311 Modulo Almacenamiento Macro encapsulacioacuten de aluminio
Fuente (Rubitherm 2020)
371 Cotizacioacuten Macro encapsulacioacuten
La inversioacuten total de la Macro encapsulacioacuten de aluminio modelo CSM105
Rubitherm es de $ 4326306 correspondiente a 150 unidades con transporte
incluido Se observa que el costo de transporte afecta considerablemente en su
valor (Alemania) Se realizoacute cotizacioacuten de los elementos de Macro encapsulacioacuten
de aluminio modelo CSM105 Rubitherm se presenta en la figura 312
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
57
Diego Sarabia Meacutendez
Figura 312 Cotizacioacuten Macro encapsulacioacuten
Fuente (Rubitherm 2020)
38 Validacioacuten muro constructivo con PCM
De acuerdo a los estudios del estado de arte y conocimientos teacutecnicos se
validoacute el sistema constructivo propuesto del muro exterior en el cumplimiento de
resistencia al fuego de acuerdo al cataacutelogo de soluciones constructivas del
MINVU y de la Ordenanza General de Urbanismo y Construcciones (OGUC)
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
58
Diego Sarabia Meacutendez
381 Cumplimiento de la OGUC y Resistencia al fuego
Dentro de las exigencias a cumplir por la OGUC se tiene la resistencia
al fuego en elementos constructivos seguacuten el tipo de recinto Para el caso del
muro de la vivienda en estudio se hace el siguiente anaacutelisis
De la tabla Ndeg34 seguacuten ldquodestino del edificiordquo ldquosuperficie edificada (m2)rdquo y
ldquonuacutemero de pisosrdquo se obtiene una clasificacioacuten (a b c y d) seguacuten corresponda
En el caso de estudio se tiene una vivienda de 1 piso por lo que el destino
es ldquoHabitacionalrdquo y por nuacutemero de pisos se establece una clasificacioacuten ldquodrdquo
Tabla 34 Clasificacioacuten de los edificios seguacuten su destino superficie edificada y
nuacutemero de pisos Destino del Edificio Superficie Edificada (m2) Nuacutemeros de Pisos
1 2 3 4 5 6 7 o mas
Habitacional Cualquiera d d c c b a a
Hoteles Sobre 5000 c b a a a a a
Sobre 1500 y hasta 5000 c b b b a a a
Sobre 500 y hasta 1500 c c b b a a a
Hasta 500 d c b b a a a
Oficinas Sobre 1500 c c b b b a a
Sobre 500 y hasta 1500 c c c b b b a
Hasta 500 d c c b b b a
Museos Sobre 1500 c c b b b a a
Sobre 500 y hasta 1500 c c c b b b a
Hasta 500 d c c b b b a
Clinica Hospitales y Lab Sobre 1000 c b b a a a a
Hasta 1000 c c b b a a a
Policlinicos Sobre 400 c c b b b b a
Hasta 400 d c c b b b a
Restaurante Sobre 500 b a a a a a a
Sobre 250 y hasta 500 c b b a a a a
Hasta 250 d c c b b a a
Locales Comerciales Sobre 500 c b b a a a a
Sobre 200 y hasta 500 c c b b a a
Hasta 200 d c b b b a a
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
59
Diego Sarabia Meacutendez
Bibliotecas Sobre 1500 b b a a a a a
Sobre 500 y hasta 1500 b b b a a a a
Sobre 250 y hasta 500 c b b b a a a
Hasta 250 d c b b a a a
Automotoras Cualquiera d c c b b b a
Edificio Estacionamiento Cualquiera d c c c b b a
Fuente (MINVU Soluciones constructivas acreditadas al fuego teacutermico y
acuacutestico 2020)
Para lograr obtener la resistencia al fuego necesaria se debe utilizar
ademaacutes la tabla 34 la cual utilizo como criterios la clasificacioacuten obtenida de la
tabla 35 y el tipo de elemento constructivo
Tabla 35 Resistencia al fuego para diferentes elementos de construccioacuten Elementos de Construccioacuten
Tipo (1) (2) (3) (4) (5) (6) (7) (8) (9)
A F-180 F-120 F-120 F-120 F-120 F-30 F-60 F-120 F-60
B F-150 F-120 F-90 F-90 F-90 F-15 F-30 F-90 F-60
C F-120 F-90 F-60 F-60 F-60 - F-15 F-60 F-30
D F-120 F-60 F-60 F-60 F-30 - - F-30 F-15
Fuente (MINVU Soluciones constructivas acreditadas al fuego teacutermico y
acuacutestico 2020) Simbologiacutea
Elementos verticales
(1) Muros cortafuego
(2) Muros zona vertical de seguridad y caja de escalera
(3) Muros caja de ascensores
(4) Muros divisorios entre unidades (hasta la cubierta)
(5) Elementos soportantes verticales
(6) Muros no soportantes y tabiques
Elementos verticales y horizontales
(7) Escaleras
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
60
Diego Sarabia Meacutendez
Elementos Horizontales
(8) Elementos soportantes horizontales
(9) Techumbre incluido cielo falso
Para el caso de los muros que dan al exterior de la vivienda en estudio se
considera en la categoriacutea (5) y seguacuten la clasificacioacuten obtenida de la tabla 35 (d)
se tiene un grado de resistencia al fuego F-30
Para cumplir con esta exigencia se utiliza una solucioacuten del cataacutelogo de
soluciones constructivas del MINVU la cual se presenta a continuacioacuten
Tabla 36 Tabique perimetral estructura madera en vivienda en estudio
A233014 Tabique Estructura Madera Volcanita 15 mm RF Placa
OSB 9 mm Siding Volcan 6 mm Aislanglas R122 50 mm
Elemento estaacute formado por una estructura de madera hecha con listones de pino
radiata de 2rdquo x 3rdquo en bruto Consta de 5 pie-derechos distanciados entre ejes
cada 06 m dos cadenetas distanciadas entre ejes cada 08 m una solera inferior
y otra superior Esta estructuracioacuten esta forrada por una de sus caras con una
plancha de yeso-cartoacuten ldquoVolcanita RFrdquo de 15 mm de espesor La otra cara esta
forrada con una placa de madera OSB de 9 mm de espesor y como terminacioacuten
en esta cara lleva unas fajas horizontales de fibrocemento ldquoSiding Volcanrdquo tipo
tinglado de 190 mm de ancho y 6 mm de espesor Todo el conjunto esta
atornillado a la estructura de madera Esta conformacioacuten deja espacios libres en
el interior del panel estaacuten rellenos con una manta de lana de vidrio tipo rollo libre
R122 de 50 mm de espesor de densidad media aparente de 14 kgm3 Las
dimensiones para el ensayo fue 22 de ancho x 24 de alto y 105 mm de espesor
INSTITUCION Ndeg Informe Lab Fecha Resistencia Inscripcioacuten
Volcaacuten SA 374721 IDIEM 26-06-96 F-30 2015
Fuente (MINVU Soluciones constructivas acreditadas al fuego teacutermico y
acuacutestico 2020)
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
61
Diego Sarabia Meacutendez
Otra de las exigencias por parte de la OGUC es el cumplimiento de la
reglamentacioacuten teacutermica mostrado en la tabla 32 para esto se compara las
transmitancias teacutermicas exigidas con las envolventes de los elementos
constructivos de la vivienda en estudio Para el caso del muro donde se
incorporaraacute el PCM se seleccionoacute de acuerdo al listado de soluciones
constructivas del MINVU para validar la resistencia al fuego En la figura 313 se
visualiza las componentes de la envolvente del muro con PCM
Figura 313 Sistema Constructivo Muro exterior con PCM en vivienda estudio
Fuente Elaboracioacuten Propia
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
CAPITULO IV RESULTADOS Y DISCUSIOacuteN
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
63
Diego Sarabia Meacutendez
En este segmento se evaluoacute el comportamiento energeacutetico de los
materiales cambio fase mediante el software Energy Plus Los materiales cambio
fase se produce dentro de placas de macro encapsulacioacuten de aluminio al interior
de los muros exteriores
Por lo tanto se observoacute el aporte energeacutetico de los materiales cambio fase
en un sistema activo de calefaccioacuten optimizando los sistemas constructivos en
la vivienda en estudio y dar respuesta a su aplicacioacuten en acondicionamiento
ambiental
41 Comportamiento Energeacuteticos de los materiales cambio fase
A continuacioacuten se comparoacute el comportamiento energeacutetico de dos sistemas
de climatizacioacuten con el aporte energeacutetico pasivo de los distintos materiales
cambio fase en una vivienda en estudio
411 Rendimiento energeacutetico de calefaccioacuten con y sin PCM
Para evaluar el comportamiento energeacutetico se definioacute la temperatura de
fusioacuten de los PCM en el rango de 18 a 22degC el aporte energeacutetico de los PCM
ayudo a mantener constante la temperatura confort de 21degC en la vivienda y
reducir los consumos energeacuteticos del sistema activo para este estudio se
escogioacute dos sistemas de climatizacioacuten caso 1 calefaccioacuten a lentildea con un η=07 y
caso 2 Climatizacioacuten por bomba de calor η=27 esta seleccioacuten se debe a que el
sistema de calefaccioacuten a lentildea es el maacutes usado en la zona genera una alta
contaminacioacuten ambiental por su combustioacuten en material particulado es el
combustible maacutes econoacutemico por unidad de energiacutea y su inversioacuten es accesible
en cambio los equipos de bomba calor tienen un mayor rendimiento energeacutetico
tiene menos impacto al medio ambiente y su inversioacuten es costosa
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
64
Diego Sarabia Meacutendez
La figura 41 (a) muestra las potencias maacuteximas de disentildeo en
climatizacioacuten comparando la liacutenea base con la implementacioacuten de materiales
PCM en vivienda en estudio ubicado en Concepcioacuten Chile A traveacutes de este
anaacutelisis se identificoacute una disminucioacuten en su potencia de disentildeo de 319 (de
263 kW a un 179 kW) con respecto al caso base
Figura 41 (a) Potencia maacutexima disentildeo con y sin PCM en vivienda estudio
Fuente Elaboracioacuten Propia
En la figura 41 (b) y (c) se realizoacute la comparacioacuten de distintos tipos de
materiales PCM con un rango de temperatura de fusioacuten entre 18 degC a 22degC para
determinar cuaacutel es maacutes eficiente en funcioacuten de las variables de disentildeo
emplazamientos y propiedades teacutermicas
Para el primer caso se evaluoacute el sistema de calefaccioacuten a lentildea y el rol
clave de estos materiales PCM es reducir el consumo energeacutetico y el kgCO2
generado por la combustioacuten En los resultados se visualizoacute que el material cambio
fase optimo corresponde al PCM 22HC arrojando una reduccioacuten del consumo
energeacutetico de 341 (de 3694 kWh a un 2434 kWh) en comparacioacuten al caso base
CocinaDormitorioSecundario
DormitorioPrimario
Living-Comedor
Bantildeo
Sin PCM 03 037 047 129 02
Con PCM 017 027 033 087 015
0
02
04
06
08
1
12
14
Dem
ada
En
erge
tica
(k
W)
Potencia Maxima de Disentildeo
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
65
Diego Sarabia Meacutendez
Para el segundo caso se evaluoacute un sistema de bomba de calor multisplit
al igual que en el caso anterior el material optimo corresponde al PCM 22HC se
observoacute una disminucioacuten de consumo energeacutetico de un 344 (de 688 kWh a un
451 kWh) en comparacioacuten al caso base
Para ambos casos se observoacute una notable reduccioacuten de los consumos
energeacuteticos en estacioacuten friacutea
Figura 41 (b) Caso 1 - Consumo energeacutetico en calefaccioacuten Lentildea con y sin
PCM en vivienda estudio
Fuente Elaboracioacuten Propia
Ene Feb Mar Abr May Jun Jul Ago Sept Oct Nov Dic
Sin PCM 75 79 138 267 477 604 626 498 408 271 147 104
PCM 18 37 34 73 188 424 579 602 440 347 185 85 60
PCM 21 31 27 64 167 397 547 570 405 313 161 71 53
PCM 22 13 11 39 138 354 506 528 357 275 130 49 34
0
200
400
600
800
1000
Co
nsu
mo
Co
mb
ust
ible
(k
Wh
)
Consumo Combustible Lentildea Mensual
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
66
Diego Sarabia Meacutendez
Figura 41 (c) Caso 2 - Consumo energeacutetico Bomba de calor con y sin PCM en
vivienda estudio
Fuente Elaboracioacuten Propia
Se identificoacute que la temperatura de fusioacuten maacutes baja de los PCM no es
viable en la optimizacioacuten del sistema pasivo en climatizacioacuten podriacutea ser explicado
por las variables temperatura exteriores dependiendo de las condiciones
climaacuteticas por su emplazamiento Por ejemplo de acuerdo con las cargas
maacuteximas de calefaccioacuten se debe a que la energiacutea en invierno aumento
estableciendo las temperaturas de confort teacutermico esta es una variable de
seleccioacuten del PCM que serviraacute para optimizar el disentildeo en funcioacuten del confort
teacutermico disminuyendo demanda energeacutetica perdidas caloriacuteficas y consumos
energeacuteticos de sistemas de calefaccioacuten activos
Seguacuten el estado de arte otro punto importante a comentar es tener en
cuenta que las curvas de entalpia y temperatura tanto para refrigeracioacuten y
calefaccioacuten deben ser lo maacutes cercana posible de lo contrario se produciriacutea una
Ene Feb Mar Abr May Jun Jul Ago Sept Oct Nov Dic
Sin PCM 14 15 26 50 89 112 116 92 78 50 27 19
PCM 18 7 6 14 35 79 107 112 82 64 34 16 11
PCM 21 57 5 12 31 74 101 106 75 58 30 13 10
PCM 22 23 2 72 256 66 936 976 662 511 24 9 63
0
20
40
60
80
100
120
Co
nsu
mo
Co
mb
ust
ible
(k
Wh
)Consumo Combustible Bomba de calor Mensual
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
67
Diego Sarabia Meacutendez
histeacuteresis o sub enfriamiento y afectariacutea considerablemente el rendimiento del
PCM en su aplicacioacuten
Para la implementacioacuten de sistemas activos sustentables en climatizacioacuten
se demuestra en el estudio que el aporte energeacutetico de los PCM es mantener la
temperatura constante dentro de los espacios interiores y ayudan tambieacuten a bajar
considerablemente los consumos energeacuteticos y es un aporte al medio ambiente
Para sistemas pasivos la eficiencia en los PCM en los muros exteriores
podriacutea incrementarse sugiriendo que haya acristalamiento a base de muros
cortina durante el diacutea lleva al PCM al proceso de cambio de fase de manera
estable en el tiempo debido a su almacenamiento teacutermico (F Ascione RF De
Masi F de Rossi S Ruggiero amp GP Vanoli 2016)
Ademaacutes la disminucioacuten de un 319 en potencia maacutexima de disentildeo para
equipos de climatizacioacuten arrojado en este estudio y un promedio de 33 en
reduccioacuten en consumo energeacutetico en los dos casos de climatizacioacuten propuestos
se puede inferir que los materiales cambio fase es capaz de contribuir a eficiencia
energeacutetica
412 Inversioacuten inicial y costos operativos en sistemas de calefaccioacuten con y sin PCM
Se hizo un anaacutelisis de los principales costos asociados a la adquisicioacuten de
los equipos y operacioacuten de eacutestos No se consideraraacute valor residual o de
salvamiento Para poder comparar la vida uacutetil a usar seraacute de 10 antildeos
Al obtener los valores de consumos energeacuteticos en las simulaciones de
los casos propuestos se visualiza una aproximacioacuten en demostrar el beneficio
econoacutemico que aporta los PCM a los sistemas activos Vease en figura 42
En el caso 1 sistema de calefaccioacuten a lentildea se observoacute una disminucioacuten
en los costos de operacioacuten anual de un 341 (de $88656 a un $58416)
($ 24 por kWh) (BES 2017) y en el caso 2 sistema de climatizacioacuten por bomba
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
68
Diego Sarabia Meacutendez
calor se observoacute una disminucioacuten en los costos de operacioacuten anual de un 344
(de $72928 a un $47795) ($ 106 por kWh) (BES 2017)
Figura 42 Inversioacuten inicial y costos operativos sistema climatizacioacuten con y sin
PCM en vivienda estudio
Fuente Elaboracioacuten Propia
42 Propuesta de aplicacioacuten PCM a caso base como sistema de actualizacioacuten
Seguacuten los resultados del comportamiento energeacutetico de la vivienda en
estudio con y sin PCM Se identificoacute un enfoque diferente e innovador para
sistemas pasivos de acondicionamiento ambiental o el aporte energeacutetico
significativo de los PCM a los sistemas activos para mantener su temperatura
constante en su operacioacuten
Una correcta ubicacioacuten del PCM a los muros exteriores de una vivienda en
estudio mostro significativamente un ahorro de energiacutea con respecto al caso
base esto se debe a la colocacioacuten del PCM en la particioacuten interna en los muros
exteriores emplazamiento de la vivienda tipo de encapsulacioacuten y orientacioacuten de
los muros con respecto al sol
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
Sin PCM PCM 22HC Inversion
Mil
es d
e p
eso
sInversion inicial y costos operativos en sistema
climatizacion
Caso 1 Sistema Calefaccion Lentildea Caso 2 Sistemas Bomba de Calor
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
69
Diego Sarabia Meacutendez
El tipo de encapsulacioacuten de acuerdo al panel constructivo mostro que debe
ser macro encapsulacioacuten con materialidad de aluminio para aumentar la
conductividad teacutermica de los materiales cambio fase que era una de sus
desventajas teacutecnicas
A traveacutes de este anaacutelisis se identificoacute que material de cambio de fase se
debe seleccionar de acuerdo a la aplicacioacuten pasiva en vivienda en estudio
considerando variables de seleccioacuten como cineacuteticas fiacutesicas quiacutemicas teacutermicas
y econoacutemicas
Finalmente se observoacute que es posible maximizar la eficiencia de la
energiacutea en mantener la temperatura constante en los espacios interiores con el
aporte energeacutetico de los sistemas pasivos cuando se usa materiales cambio fase
en los muros exteriores de la vivienda en estudio Ademaacutes el PCM con
temperatura de fusioacuten cercana a la temperatura confort logra un mayor
rendimiento energeacutetico seguacuten su emplazamiento y reduce considerablemente los
costos de operacioacuten de un sistema climatizacioacuten activo aportaacutendole energiacutea
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
70
Diego Sarabia Meacutendez
CONCLUSIONES
El trabajo reciente propone un anaacutelisis de optimizacioacuten del PCM a una
vivienda en estudio como una aplicacioacuten de actualizacioacuten a sistemas pasivos y
se evaluoacute el comportamiento energeacutetico de dos sistemas activos de climatizacioacuten
mediante el uso del software EnergyPlus
En este estudio se describe la seleccioacuten de materiales de cambio fase a
utilizar la encapsulacioacuten adecuada en base a la aplicacioacuten y propiedades de
disentildeo
En el anaacutelisis del comportamiento energeacutetico de la vivienda en estudio se
observoacute que el PCM adecuado seguacuten la temperatura de fusioacuten estaacute en el rango
de 18 a 22 degC cercano a la temperatura de confort teacutermico Para este estudio se
escogioacute el PCM 22HC ya que su comportamiento es ideal para la vivienda en
estudio arrojando un 319 (de 263 kW a un 179 kW) de reduccioacuten de
potencias maacuteximas de disentildeo en climatizacioacuten De acuerdo al PCM escogido se
analizoacute el comportamiento del consumo energeacutetico en dos sistemas de
climatizacioacuten Caso 1 Sistema calefaccioacuten a lentildea mostro una reduccioacuten del
consumo energeacutetico de 341 (de 3694 kWh a un 2434 kWh) Para el segundo
caso se evaluoacute un sistema de bomba de calor multisplit al igual que en el caso
anterior el material optimo corresponde al PCM 22HC se observa una
disminucioacuten de consumo energeacutetico de un 344 (de 688 kWh a un 451 kWh) en
comparacioacuten al caso base lo que implica una notable reduccioacuten de los consumos
energeacuteticos en la estacioacuten friacutea Ademaacutes junto con los valores de consumo
energeacutetico se evaluoacute los costos de operacioacuten anual arrojando una disminucioacuten
promedio de 34 debido al aporte de los PCM
En general estos resultados sostienen firmemente que es posible mejorar
la eficiencia del ahorro energeacutetico cuando los PCM se instala en los muros
exteriores maximizando los ahorros energeacuteticos Por lo tanto para lograr la
optimizacioacuten de la envolvente de la vivienda con aplicacioacuten PCM la temperatura
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
71
Diego Sarabia Meacutendez
de fusioacuten fue de 22 deg C y el macro encapsulamiento es de material de aluminio
mejorando su transmitancia teacutermica del flujo de calor en los paneles
constructivos dando como resultado una adecuada actualizacioacuten a la aplicacioacuten
y a la instalacioacuten de los PCM a la vivienda en estudio ubicada en Concepcioacuten
Chile
Los costos de implementacioacuten en la tecnologiacutea pasiva como los PCM tiene
un elevado valor debido al costo del transporte (Alemania) se podriacutea justificar
encargando por mayor estos insumos y aplicarlo a un lote de viviendas
Es importante aplicar el PCM optimizado considerando el enfoque y
variables de disentildeo como la condicioacuten climaacutetica temperatura de fusioacuten de PCM
encapsulamiento y irradiacioacuten solar
La implementacioacuten de esta tecnologiacutea demuestra que aporta en la
reduccioacuten de material particulado en zonas criacuteticas en contaminacioacuten y las
emisiones de CO2 aportando al medio ambiente
Se deberaacute tener en cuenta que las curvas de entalpia y temperatura de los
PCM tanto para refrigeracioacuten y calefaccioacuten deben ser lo maacutes cercana posible de
lo contrario se produciriacutea una histeacuteresis o subenfriamiento y afectariacutea
considerablemente el rendimiento del PCM en su aplicacioacuten
Como investigacioacuten adicional queda por explorar la optimizacioacuten de PCM
aplicado a paredes exteriores con persianas de acristalamiento o invernaderos
adosados al poseer mayor captacioacuten de energiacutea solar tendraacute un mayor
almacenamiento energeacutetico y retraso teacutermico en los muros aplicado con PCM y
obtener una segmentacioacuten de los datos climaacuteticos por zonas para investigar el
comportamiento energeacutetico en aplicaciones pasivas
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
72
Diego Sarabia Meacutendez
REFERENCIAS
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ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
INTRODUCCION
Debido al avance de la ciencia y la tecnologiacutea la calidad de vida y los
sistemas de produccioacuten en la industria han mejorado lo que ha aumentado el
consumo mundial de energiacutea en paiacuteses industrializados y las economiacuteas
emergentes Este aumento en el consumo de energiacutea tiene efectos nocivos sobre
el medio ambiente como el aumento de las emisiones de gases a la atmoacutesfera
entre otros Por lo tanto los paiacuteses estaacuten promoviendo cada vez maacutes nuevas
poliacuteticas energeacuteticas y promoviendo dos tipos de acciones para reducir las
emisiones entre otras aumentar la proporcioacuten de energiacutea renovable y promover
medidas de ahorro y eficiencia energeacutetica Debido a las crecientes
preocupaciones sobre el consumo de energiacutea se necesita urgentemente maacutes
investigacioacuten
Entre las medidas de eficiencia energeacutetica surge la necesidad de estudiar
el uso de energiacutea solar a traveacutes de la aplicacioacuten de materiales de cambio de fase
(PCM seguacuten sus siglas en ingleacutes Phase Change Materials) Estudios recientes
sobre materiales de cambio de fase han demostrado que hay varios aspectos
para mejorar en la aplicacioacuten y caracterizacioacuten de estos materiales (Anisur
2013)
Actualmente el sector de la construccioacuten contribuye considerablemente al
consumo total de energiacutea y las emisiones de gases de efecto invernadero a la
atmoacutesfera Los edificios consumen maacutes del 40 de la energiacutea primaria del
mundo que es responsable del 30 de las emisiones de gases de efecto
invernadero (Thorpe 2011)
A nivel local el sector residencial es responsable de las altas demandas
energeacuteticas equivalente a 23 del consumo energeacutetico nivel paiacutes Del parque
habitacional existente en Chile 75 fue construido sin consideraciones teacutermicas
y de eficiencia energeacutetica dicha situacioacuten provoca que el usuario asuma el costo
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
del consumo energeacutetico en calefaccioacuten y refrigeracioacuten para mantener la vivienda
en zona confort (Wegertseder 2015)
Tradicionalmente el consumo de energiacutea se reduce mediante el uso de
aislamiento teacutermico de alta calidad en la envolvente de un edificio para reducir la
transferencia de calor entre el interior y exterior (Zhou D Tian Y Qu Y amp
Chen Y K 2016) Un aumento en la eficiencia de los sistemas de calefaccioacuten
ventilacioacuten y aire acondicionado (HVAC) tambieacuten ha sido responsable de una
reduccioacuten en el consumo de energiacutea sin embargo las mejoras en la eficiencia
energeacutetica no deben limitarse a estos enfoques
Un estudio de investigacioacuten describioacute que el aumento de la inercia teacutermica
del edificio reduce la cantidad de energiacutea utilizada para calefaccioacuten y refrigeracioacuten
(Ling H Chen C Qin H Wei S Lin J Li N) ya que reduce las
fluctuaciones en la temperatura interior ayudando a mantener el espacio interno
dentro del rango de confort teacutermico y reduciendo la necesidad de utilizar sistemas
de aire acondicionado
El almacenamiento de energiacutea se puede implementar mediante calor
sensible aumentando y disminuyendo la temperatura de los recubrimientos de
edificios o mediante calor latente Con la inclusioacuten de materiales de cambio de
fase conduce a una mayor densidad de energiacutea teacutermica Los materiales de
cambio de fase estaacuten asociados con el almacenamiento de calor latente (LHS)
con su principal ventaja de tener una alta densidad de almacenamiento a
temperatura constante Por lo tanto los materiales de cambio de fase han
demostrado que su almacenamiento de energiacutea teacutermica latente se puede utilizar
para calentar y enfriar a sistemas de construccioacuten pasivos o activos (B Zalba J
Marin L Cabeza y H Mehling 2003)
Investigaciones maacutes recientes han estudiado sus propiedades fiacutesicas
quiacutemicas cineacuteticas y especialmente teacutermicas para seleccionar el material de
cambio de fase maacutes adecuado para la presente investigacioacuten (Ramiacuterez A
Santos A amp Gonzaacutelez N 2012)
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
El intereacutes sostenido en comprender la importancia de los materiales de
cambio fase llevoacute a investigar el disentildeo del elemento constructivo con los PCM
incorporados para reducir la demanda energeacutetica de la vivienda en estudio y
contribuir a mejoras de condiciones de habitualidad Aquiacute se utilizoacute la
herramienta simulacioacuten Energy Plus para evaluar el rendimiento teacutermico de una
vivienda en estudio ubicada en la ciudad de Concepcioacuten de la regioacuten del Biacuteo-Biacuteo
Chile
En este estudio se demostroacute que es posible maximizar la eficiencia del
ahorro de energiacutea en sistemas activos de climatizacioacuten al optimizar el PCM
aplicado a las paredes exteriores Se identificoacute que los materiales de cambio de
fase son una contribucioacuten a la implementacioacuten del acondicionamiento pasivo
debido a su gran almacenamiento energeacutetico
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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CAPITULO I ENUNCIADO DE LA INVESTIGACIOacuteN
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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11 Planteamiento del problema
En la actualidad las necesidades energeacuteticas a nivel mundial han
aumentado de manera significativa por distintas razones Hoy en diacutea los edificios
consumen maacutes del 40 de la energiacutea primaria del mundo que son responsables
del 30 de las emisiones de gases de efecto invernadero (Thorpe 2011)
A nivel local el sector residencial es responsable de las altas demandas
energeacuteticas equivalente a 23 del consumo energeacutetico nivel paiacutes Del parque
habitacional existente en Chile 75 fue construido sin consideraciones teacutermicas
y de eficiencia energeacutetica dicha situacioacuten provoca que el usuario asuma el costo
del consumo energeacutetico para mantener la vivienda en zona confort (Wegertseder
2015)
Se estima que el sector de la construccioacuten es el responsable de generar
el 33 del total de emisiones de gases de efecto invernadero (MINVU 2018)
A traveacutes de un estudio realizado el antildeo 2019 por la Caacutemara Chilena de
la Construccioacuten sobre los usos de la energiacutea en el sector residencial declara que
el 53 del consumo total de la vivienda chilena es destinado a calefaccioacuten (CDT
2019)
Una forma eficiente de reducir el consumo de energiacutea para calefaccioacuten o
refrigeracioacuten en los espacios es aumentar la inercia teacutermica de un edificio De
esta manera las temperaturas interiores son menos sensibles a las variaciones
de la temperatura exterior y se requiere menos energiacutea para mantenerlas en el
rango de confort teacutermico Un edificio con una estructura de marco de concreto
tendraacute una mayor inercia teacutermica que un edificio con una estructura de marco de
acero o madera (Soares N Costa J J Gaspar A R amp Santos P 2013) Una
forma de aumentar la inercia teacutermica de un edificio es utilizar el almacenamiento
de calor latente (LHS) que es la energiacutea que almacena un material cuando sufre
un cambio de fase (Akeiber H Nejat P Majid M Z A Wahid M A
Jomehzadeh F Zeynali Famileh IZaki S A 2016)
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
El material de cambio de fase (PCM) es un tipo de material que
experimenta un cambio de fase en este caso de liacutequido a soacutelido a una
temperatura dentro del rango de confort teacutermico Este tipo de material tiene la
capacidad de almacenar grandes cantidades de energiacutea en comparacioacuten con los
materiales de construccioacuten tradicionales que solo almacenan calor sensible Por
ejemplo una pared que contiene PCM con 25 mm de espesor almacena
aproximadamente la misma energiacutea que una pared de concreto con 420 mm de
espesor (Al-Saadi S N amp Zhai Z 2013) Los PCM tienen un gran potencial
para aumentar la inercia teacutermica de un edificio debido a su gran LHS por lo tanto
son especialmente uacutetiles en edificios de construccioacuten livianas en seco como
estructuras reticulares en madera o acero galvanizados (Marin P Saffari M de
Gracia A Zhu X Farid M M Cabeza L F amp Ushak S 2016) Esto permite
que el edificio tenga menor peso un aacuterea uacutetil mayor y auacuten mantenga una alta
inercia teacutermica
Cuando los PCM cambian su estado de liacutequido a soacutelido liberan calor
latente y cuando cambian de soacutelido a liacutequido absorben calor latente Cuando este
proceso ocurre a una temperatura entre 19-27 degC el material contribuye a
aumentar el confort teacutermico porque ayuda a mantener la temperatura interna
dentro de este rango Durante el diacutea cuando hay demasiadas ganancias de
radiacioacuten solar este material cambia su fase de soacutelido a liacutequido absorbiendo
calor y evitando un aumento significativo de la temperatura interior Por la noche
cuando la temperatura exterior baja el material cambia su fase de liacutequido a
soacutelido liberando calor y evitando una gran disipacioacuten de energiacutea en el interior de
la vivienda (Jamil H Alam M Sanjayan J amp Wilson J 2017)
Durante el verano puede ocurrir un sobrecalentamiento en el muro y
hacer que se use un PCM que se derrita a altas temperaturas (alrededor de
26 degC) ya que evitaraacute que la temperatura de una habitacioacuten elevaacutendose por
encima del rango de confort teacutermico Si el objetivo es la estabilizacioacuten de la
temperatura interior en la zona de confort un PCM que se derrita a 23 degC deberiacutea
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
ser la mejor opcioacuten En el invierno puede ser necesario evitar que la temperatura
de una habitacioacuten baje por debajo del rango de confort teacutermico y en este caso
se recomienda un PCM que solidifique alrededor de 21 degC (Soares N Gaspar
A R Santos P amp Costa J 2014)
Esta tecnologiacutea no solo tiene el potencial de ahorrar cantidades
considerables de energiacutea y emisiones de CO2 sino que tambieacuten se puede utilizar
para aprovechar los precios pico de electricidad utilizando las unidades de aire
acondicionado cuando hay una menor demanda en la red eleacutectrica Por ejemplo
en invierno la unidad de aire acondicionado (AC) podriacutea funcionar durante la
noche produciendo calor que seriacutea absorbido por el tablero PCM y luego liberado
por eacutel durante el diacutea cuando los precios de la electricidad son mucho maacutes altos
(Devaux P amp Farid M 2017) Esto tambieacuten como la ventaja de evitar el ruido y
las corrientes de aire causadas por las unidades de CA durante las horas de
trabajo de una oficina
Aunque esta tecnologiacutea tiene un gran potencial en almacenar energiacutea
con respecto a otros materiales existe el problema de la baja transferencia de
calor porque estos materiales generalmente tienen baja conductividad teacutermica lo
que hace que la absorcioacuten y liberacioacuten de calor por parte del PCM sea mucho
maacutes difiacutecil (Fan L amp Khodadadi J M 2011)
Para aprovechar la gran capacidad de almacenamiento de calor latente
la temperatura de una zona debe estar cerca de la temperatura de cambio de
fase de lo contrario un PCM solo almacena calor sensible que es insignificante
en comparacioacuten al calor latente (Chwieduk 2013)
Investigadores concluyen sobre acondicionamiento teacutermico en
envolventes de viviendas utilizando materiales de cambio de fase que la
implementacioacuten adecuada de los PCM en una edificacioacuten puede un 35 reducir
el consumo energeacutetico y por lo tanto es posible usar equipos de
acondicionamiento teacutermico de menor potencia e incluso prescindir de ellos (Bello
R E Muntildeoz M M Vasco C 2015)
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
En el desarrollo de aplicaciones para los PCM un investigador disentildeoacute un
muro con material de cambio de fase y para probar su funcionamiento utilizoacute dos
habitaciones ideacutenticas En la primera habitacioacuten los muros teniacutean un enlucido de
yeso normal y en la segunda habitacioacuten el muro poseiacutea una placa de yeso
revestido con micro encapsulacioacuten de PCM (50 butil estearato y 48 palmitato
de butilo) Resultoacute que la habitacioacuten con material cambio de fase una reduccioacuten
energeacutetica de 22 (Scalat S Banu D Hawes D Paris J Haghighata F
Feldman D 1996)
Los investigadores a nivel mundial han creado estrategias para
solucionar el consumo energeacutetico En Chile auacuten no se analiza en forma
sistemaacutetica considerando que seriacutea de gran ayuda para disminuir el consumo
energeacutetico residencial
Por todo lo anteriormente mencionado se establece que esta
investigacioacuten estaraacute orientada al estudio de materiales con cambio de fase
simulando su comportamiento teacutermico de una vivienda en estudio ubicada en la
ciudad de Concepcioacuten de la regioacuten del Biacuteo-Biacuteo utilizando el software Energy Plus
12 Preguntas de investigacioacuten
iquestEs posible disminuir la demanda energeacutetica de una vivienda en estudio
incorporando materiales con cambio de fase
iquestQueacute material PCM es conveniente utilizar en los muros de la vivienda en
estudio
iquestQueacute comportamiento tendraacuten los PCM en la simulacioacuten
13 Hipoacutetesis
Se puede mejorar la habitabilidad y reducir un 30 la demanda energeacutetica
de una vivienda en estudio en la ciudad de Concepcioacuten mejorando el
almacenamiento teacutermico de sus muros incorporando material con cambio de fase
(PCM)
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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14 Objetivos
141 Objetivo general
Proponer una metodologiacutea de evaluacioacuten en funcioacuten de la realidad local
que permitiraacute analizar la potencialidad en aplicar los materiales cambio de fase
en las construcciones chilenas contribuyendo a mejorar las condiciones de
habitabilidad
142 Objetivos especiacuteficos
Identificar materiales con cambio de fase (PCM) utilizados como estrategia
de calefaccioacuten pasiva en edificacioacuten Con la validacioacuten de todos los
reglamentos en Chile
Definir el sistema constructivo del muro exterior en cuanto a la ubicacioacuten
del PCM
Definir materiales con cambio de fase en relacioacuten de sus propiedades
teacutermicas para realizar simulacioacuten energeacutetica
Definir metodologiacutea de caacutelculo y estimar ahorros energeacuteticos para la zona
en funcioacuten del material base
Obtener simulaciones de demanda energeacutetica para la vivienda en estudio
con y sin materiales de cambio de fase incorporados en sus muros
mediante el software Energy Plus
Optimizar el disentildeo de la solucioacuten constructiva con PCM en relacioacuten a los
datos de la zonificacioacuten
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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CAPITULO II MARCO TEOacuteRICO
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teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
21 Marco Teoacuterico
A continuacioacuten se nombraraacute conceptos esenciales que aborda la
investigacioacuten tales como aislacioacuten teacutermica conductividad teacutermica confort
teacutermico y Inercia teacutermica
Cabe de destacar que la inercia teacutermica juega un papel importante en los
sistemas de calefaccioacuten pasiva ya que el retraso teacutermico puede ser mayor o
menor dependiendo el espesor y materialidad
La inercia teacutermica permite ir liberando el calor acumulado en los elementos
compuestos por materiales pesados en la vivienda de manera tal que durante
la noche cuando la temperatura desciende esta baja sea amortiguada por el calor
cedido
En el verano la envolvente se encuentra expuesta a la radiacioacuten solar y al
soleamiento por lo tanto debe ser capaz de almacenar el calor obtenido desde
el exterior y asiacute evitar que la temperatura en el interior del recinto sea elevada
durante el diacutea generando una peacuterdida de confort (CCHC 2010)
22 Materiales con cambio de fase (PCM)
Un PCM es una sustancia capaz de almacenar y liberar energiacutea del medio
que le rodea manteniendo la temperatura constante durante la transferencia de
calor Este intercambio de energiacutea se denomina calor latente de un material y se
produce durante el cambio de fase del mismo El intereacutes de estos materiales es
que durante el cambio de fase la temperatura media se mantiene constante
mientras el material absorbe o libera energiacutea durante la etapa de fusioacuten o
solidificacioacuten del material Esto supone una mayor densidad energeacutetica en este
proceso respecto a un intercambio por calor sensible
En una investigacioacuten sobre PCM afirma que estos mediante su calor
latente de fusioacuten almacenan de 5 a 14 veces maacutes calor por unidad de volumen
que materiales por almacenamiento de calor sensible como el agua albantildeileriacutea
o rocas entre otras (Sharma 2009)
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
23
Diego Sarabia Meacutendez
Para la investigacioacuten se estudioacute materiales cambio fase de estado liacutequido-
solido ya que aunque la cantidad de energiacutea almacenada es inferior que entre
otros cambios de estado (solido-gas) la variacioacuten de volumen del estado es
menor
221 Funcionamiento
La mejor forma para explicar el funcionamiento de estos materiales es
estudiando el proceso de cambio de fase del agua en estado liacutequido el agua va
aumentando su temperatura progresivamente hasta alcanzar los 100degC Una vez
alcanza esta temperatura empieza su cambio de estado en el cual absorberaacute
calor pero mantendraacute una temperatura constante de 100degC hasta que finalice su
cambio de fase y todo el liacutequido se haya convertido en vapor De manera inversa
ocurre cuando la temperatura del agua disminuye hasta alcanzar los 0degC En este
caso el agua empezaraacute a liberar calor y durante este proceso mantendraacute su
temperatura constante en 0degC hasta que complete su solidificacioacuten y todo el
liacutequido se haya convertido en hielo (B Zalba J Marin L Cabeza y H Mehling
2003)
En la Figura 21 se observa coacutemo la temperatura se mantiene constante
en 0degC formando una recta horizontal durante su cambio de fase y posteriormente
en 100degC hasta que se convierte en vapor
Figura 21 Diagrama de proceso de cambio de fase Hielo ndash Vapor
Fuente (B Zalba J Marin L Cabeza y H Mehling 2003)
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
24
Diego Sarabia Meacutendez
Del mismo modo actuacutean los PCM cada uno tiene su propia temperatura
de cambio de fase y gracias a las variaciones de temperatura entre el diacutea y la
noche ocurren los ciclos de fusioacuten y solidificacioacuten de estos materiales resultando
en la absorcioacuten maacutexima de energiacutea durante el diacutea cuando las temperaturas
suben y la disipacioacuten de eacutesta en la noche cuando la temperatura ambiente baja
La energiacutea utilizada para cambiar el estado del material dado que la temperatura
de cambio de fase es aproximada a la temperatura ambiente de confort deseada
daraacute lugar a un clima interior maacutes estable y coacutemodo asiacute como tambieacuten reduciraacute
las cargas de enfriamiento y calefaccioacuten en horas pico especialmente en
aquellas edificaciones con baja masa teacutermica (S E Kalnaes and B P Jelle
2015)
222 Propiedades
A continuacioacuten se describiraacuten las propiedades maacutes relevantes que definen un
material de cambio de fase (Oroacute 2012)
a) Propiedades Termofisica
Temperatura de fusioacuten (Tf) en el rango de funcionamiento seguacuten la
aplicacioacuten
Alto calor latente de fusioacuten (ΔHf) por unidad de volumen
Alto calor especiacutefico para proporcionar calor sensible adicional
significativo
Alta conductividad teacutermica en fase soacutelida y liacutequida (buena transferencia de
calor)
Baja variacioacuten de volumen en el cambio de fase y baja presioacuten de vapor a
la temperatura de funcionamiento
Fusioacuten congruente del material de cambio de fase con cada ciclo de
solidificacioacutenfusioacuten con el miacutenimo sub-enfriamiento
Cambio de fase ciclo continuo con termino de vida uacutetil
Alta densidad
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
25
Diego Sarabia Meacutendez
b) Propiedades quiacutemicas
Ciclo de solidificacioacutenfusioacuten reversible y completo
Baja degradacioacuten despueacutes de un elevado nuacutemero de ciclos de
fusioacutensolidificacioacuten
No corrosivo para los materiales encapsulados
No toacutexico no inflamable y no explosivo
c) Econoacutemicas
Abundante y disponible
Rentable en relacioacuten al ahorro energeacutetico y costos del material
Faacutecil reciclaje y tratamiento quiacutemicos
223 Almacenamiento de energiacutea teacutermica
La necesidad de almacenamiento energeacutetico y de buscar formas de
acondicionamiento pasivo es lo que inspira a la investigacioacuten a centrarse en el
almacenamiento teacutermico Es fundamental para el desarrollo del paiacutes disminuir la
demanda energeacutetica sin sacrificar el confort (PRIEN 2002)
En esta seccioacuten de la investigacioacuten se daraacute a conocer las formas de
almacenamiento teacutermico existentes y dando eacutenfasis al almacenamiento
energeacutetico por calor latente donde pertenecen los materiales de cambio fase
(PCM)
El equilibrio termodinaacutemico de los PCM se debe principalmente a los
intercambios de calor con el entorno externo El tiempo para que el PCM alcance
el nuevo equilibrio termodinaacutemico es el tiempo necesario para que el calor sea
intercambiado con el espacio a climatizar Los paraacutemetros baacutesicos de los
materiales de cambio de fase incluyen seguacuten ecuacioacuten (1)
bull Capacidad caloriacutefica [J kg]
119876 = int 119862119901119904 119889119905 + 119862119898 + int 119862119901119897 119889119905 cong 119862119901119904(119879119898 minus 1198791) + 119862119898 + 1198792
119879119898
119879119898
1198791
119862119901119897(1198792 minus 1198791)
Ec 1
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
26
Diego Sarabia Meacutendez
Donde 119862119901119904 o 119862119901119897 Calor especiacutefico soacutelido y liacutequido kJ(kg times K) 119862119898 Calor
de transformacioacuten de fase (fusioacuten) kJ(kg times K) Tm - temperatura de transicioacuten
de fase (fusioacuten) T1 T2 rango de temperatura de funcionamiento de operacioacuten
224 Clasificacioacuten
Actualmente existe un gran nuacutemero de materiales cambio fase que han
sido investigados debido a que poseen una temperatura y un alto calor latente
de fusioacuten dentro del rango operacional deseado sin embargo exceptuando por
esta caracteriacutestica la mayoriacutea de estos materiales no satisfacen los otros
criterios necesarios para un medio de almacenamiento adecuado (Sharma
2009)
Aquellos que siacute responden a estas prestaciones y se encuentran disponibles en
el mercado pueden ser clasificados en tres grandes grupos orgaacutenicos
inorgaacutenicos y euteacutecticos (V Tyagi amp D Buddhi 2007)
Figura 22 Clasificacioacuten de los Materiales Cambio Fase
Fuente Elaboracioacuten Propia
Materiales Cambio Fase
Organico
Parafina Acido Graso
Inorganico
Sal Hidratada
Metalico
Eutectico
Inorganico -Inorganico
Inorganico -Organico
Organico -Organico
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
Los materiales de cambio de fase liquido-solido maacutes comunes estaacuten en el
rango de temperaturas entre 20degC y 80 degC son las ceras de parafina sales
hidratadas mezclas euteacutecticas y aacutecidos grasos
Las ceras de parafina estaacuten disponibles en el mercado pero su calor
latente (hasta 200 kJkg) es solo la mitad del de las sales hidratadas
Las sales hidratadas son maacutes econoacutemicas que las ceras de parafina y
tambieacuten estaacuten disponibles en el mercado pero tienen algunas desventajas como
las bajas temperaturas de fusioacuten o la corrosioacuten en contacto con metales
En las mezclas euteacutecticas intervienen dos componentes con punto de
fusioacuten (solidificacioacuten) maacutes bajo que el que poseen los compuestos
individualmente Esto hace que la mezcla alcance el punto de congelacioacuten maacutes
bajo posible y ambos se solidifiquen a esa temperatura euteacutectica (Ramiacuterez A
Santos A amp Gonzaacutelez N 2012)
Los PCM tienen una significativa capacidad de almacenar calor por medio
del cambio de estado pero es necesario tener en cuenta los paraacutemetros de
disentildeo del problema y las ventajas y desventajas de los diferentes tipos de
materiales para determinar cuaacuteles son los maacutes apropiados de utilizar en la
construccioacuten dependiendo de sus diferentes caracteriacutesticas y maacutes importante
aun dependiendo de si su temperatura de cambio de fase se acerca a la
temperatura de confort
2241 PCM inorgaacutenicos sales hidratadas
Seguacuten varios investigadores estos materiales fueron muy estudiados en
las primeras etapas de investigacioacuten de PCM por su bajo costo y su capacidad
de almacenamiento de grandes cantidades de calor por unidad de volumen en
comparacioacuten con las sustancias orgaacutenicas que las convierten en candidatos
idoacuteneos para sus muacuteltiples aplicaciones en el aacutembito del almacenamiento de
energiacutea
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
La buacutesqueda de sustancias con temperatura de cambio de fase proacutexima a
la temperatura ambiente no ha encontrado buenos candidatos dentro de este
grupo y las investigaciones se han dirigido maacutes hacia las sustancias orgaacutenicas
Tabla 21 Ventajas e inconvenientes de los PCM inorgaacutenicos
Ventajas Inconvenientes
Econoacutemicos Problemas en el encapsulado y preparacioacuten
del material
Elevada densidad de
almacenamiento teacutermico
Para un uso prolongado necesita de aditivos
Elevada conductividad teacutermica Son susceptibles de sub enfriamiento
(Inestables)
Temperatura de cambio de fase
claramente definida
Debido a la inestabilidad teacutermica y histeacuteresis
se debe aplicar aditivos para evitar una fusioacuten
incongruente en su aplicacioacuten donde puede
reducir su capacidad de almacenamiento de
calor latente
No inflamables Potencialmente corrosivos con algunos
metales
Reciclables y biodegradables
Fuente (Ramiacuterez A Santos A amp Gonzaacutelez N 2012)
Las sales hidratadas tienen algunas propiedades atractivas como los
elevados valores de calor latente no son inflamables y su elevado contenido
hiacutedrico significa que son baratos y muy disponibles Sin embargo sus
caracteriacutesticas de inadaptacioacuten (corrosioacuten inestabilidad dificultades de re-
solidificacioacuten y tendencia al sub enfriamiento) han implicado la realizacioacuten de
estudios hasta la actualidad para poder manejar estas desventajas y realizar su
correcta aplicacioacuten Necesitan por tanto un contenedor para utilizarlos como
aditivos de otros materiales (Ramiacuterez A Santos A amp Gonzaacutelez N 2012)
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
Tabla 22 Temperatura de fusioacuten de algunas sales hidratadas
PCM Temperatura
fusioacuten (ordmC)
Q fusioacuten (kJkg)
KFmiddot4H2O 185 231
Na2SO4middot10H2O 324 254
CaCl2middot6H2O 24ndash29 192
CaCl2middot6H2O+Nucleador+MgCl2middot6H2O 23 -
Fuente (Ramiacuterez A Santos A amp Gonzaacutelez N 2012)
En la tabla 21 se muestran algunas ventajas y desventajas de los PCM
inorgaacutenicos y en la tabla 22 se muestran las temperaturas de fusioacuten de las sales
hidratadas que permiten determinar cuaacuteles son las oacuteptimas para utilizar en
aislacioacuten (las cuales su temperatura de fusioacuten se acerca a la temperatura de
confort)
2242 PCM orgaacutenicos parafinas aacutecidos grasos y mezclas orgaacutenicas
Los PCM orgaacutenicos poseen unas caracteriacutesticas que los hacen muy uacutetiles
en su aplicacioacuten en determinados elementos constructivos para almacenamiento
de calor latente
Investigadores determinaron que son maacutes estables quiacutemicamente que las
sustancias inorgaacutenicas funden y solidifican convenientemente sin necesidad de
agentes nucleadores y no sufren sub-enfriamiento o histeacuteresis (Gawron 1981)
No obstante se ha demostrado que son maacutes compatibles y adecuados para la
adsorcioacuten en varios materiales constructivos Aunque el costo inicial en materia
prima de un PCM orgaacutenico es superior al de un inorgaacutenico su costo final es
competitivo
Sin embargo estos materiales tienen otras desventajas la maacutes
significativa es que son inflamables y que emiten gases nocivos durante su
combustioacuten Otros problemas menos extendidos son las reacciones con los
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
productos de la hidratacioacuten en hormigoacuten (hidroacutexido de calcio) envejecimiento por
oxidacioacuten y cambios de olor
Muchos de estos inconvenientes se han eliminado Se ha visto que el
envejecimiento por oxidacioacuten de los PCM puede inhibirse utilizando un oxidante
adecuado Se estaacute investigando tambieacuten en la emisioacuten de gases y la
inflamabilidad de algunos de los PCM maacutes efectivos para establecer un radio de
ignicioacuten Tambieacuten se estaacute investigando sobre la compatibilidad de los PCM con
el hormigoacuten (Ramiacuterez A Santos A amp Gonzaacutelez N 2012)
En la tabla 23 se muestran algunas ventajas y desventajas de los PCM
orgaacutenicos y en la tabla 24 y 25 se muestran las temperaturas de fusioacuten de las
parafinas y aacutecidos grasos que permiten determinar cuaacuteles son las oacuteptimas para
utilizar en aislacioacuten (las cuales su temperatura de fusioacuten se acerca a la
temperatura de confort)
Tabla 23 Ventajas e inconvenientes de los PCM orgaacutenicos
Ventajas Inconvenientes
Faacuteciles de usar Calor latente y entalpiacutea maacutes bajos
Estabilidad teacutermica y quiacutemica Baja conductividad teacutermica
No sufren subenfriamiento Amplio rango de fusioacuten
No necesitan agente nucleador para
solidificar
Inflamables
No corrosivos Reaccioacuten potencial con hormigoacuten
Reciclables y ecoloacutegicamente inocuos Alto costo
Compatibilidad con materiales de construccioacuten convencionales
Fuente (Ramiacuterez A Santos A amp Gonzaacutelez N 2012)
Dentro de los PCM orgaacutenicos se pueden encontrar tres grupos de
sustancias diferentes parafinas aacutecidos grasos y mezclas orgaacutenicas A
continuacioacuten se presenta una pequentildea descripcioacuten de estos (Ramiacuterez A
Santos A amp Gonzaacutelez N 2012)
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
22421 Parafinas
Las parafinas son esencialmente un alcalino solido refinado Muestran dos
rangos de enfriamiento un rango maacutes estrecho para un breve periodo de tiempo
y un rango maacutes extenso que ocurre durante un periodo maacutes amplio Ambos se
interpretan como una transicioacuten de liacutequido a amorfo-soacutelida y amorfo-solida a
cristalino-solida respectivamente Parte del calor latente total de fusioacuten se
almacena en la sustancia durante cada una de estas transiciones
Tabla 24 Temperatura de fusioacuten de algunas parafinas
PCM Temperatura fusioacuten (ordmC) Q fusioacuten (kJkg)
Hexadecano 18 236
Heptadecano 22 214
Octadecano 28 244
Parafina 20ndash60 200
RT25 25 147
Fuente (Ramiacuterez A Santos A amp Gonzaacutelez N 2012)
22422 Aacutecidos Grasos
Los aacutecidos grasos derivados de productos animales y vegetales estaacuten
constituidos por una larga cadena alifaacutetica maacutes de 12 carbonos Su cadena
alquiacutelica puede ser saturada o insaturada
En general muestran excelentes caracteriacutesticas teacutermicas (punto de fusioacuten
y congelacioacuten) El rango de temperatura de refrigeracioacuten es grande y no se
produce sub enfriamiento aunque en algunos casos se han detectado Estos
materiales sin embargo tienen elevado costo pudieacutendose utilizar en dispositivos
especiales de almacenamiento de calor o frio
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
Tabla 25 Temperatura de fusioacuten de algunos aacutecidos grasos
PCM Temperatura fusioacuten (ordmC) Q fusioacuten (kJkg)
Caacuteprico 315 158
Laacuteurico 42-44 179
Pentadecano 52 159
Miriacutestico 54 190
Palmiacutetico 63 183
Esteaacuterico 70 196
Eritrol 116-118 126
Fuente (Ramiacuterez A Santos A amp Gonzaacutelez N 2012)
2243 Mezclas euteacutecticas
Tambieacuten existen las mezclas euteacutecticas que puede ser la mezcla de 2
PCM orgaacutenicos de 2 PCM inorgaacutenicos o de un PCM Orgaacutenico maacutes un PCM
inorgaacutenico A continuacioacuten en la tabla 26 se muestra la clasificacioacuten de los PCM
Tabla 26 Clasificacioacuten de los PCMs
Tipo PCM Composicioacuten
Orgaacutenicos Compuestos de parafina
Compuestos sin parafina
Inorgaacutenicos Sales hidratadas
Metaacutelicos
Euteacutecticos Orgaacutenico-Orgaacutenico
Orgaacutenico-Inorgaacutenico
Inorgaacutenico-Inorgaacutenico
Fuente (JuarezD Balart R Ferrandiz S amp Garcia D 2012)
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
23 Criterios de seleccioacuten de los Materiales con Cambio se Fase
Es muy importante la correcta seleccioacuten del material de cambio de fase
dependiendo del campo en que se desee utilizar por lo que a continuacioacuten se
presentaran algunos criterios para seleccionar un PCM correctamente Estos
criterios son propuestos seguacuten una investigacioacuten realizada en Espantildea (Ramiacuterez
A Santos A amp Gonzaacutelez N 2012)
a) Fiacutesicas
bull La densidad del liacutequido y del solido deben ser similares y preferiblemente
elevadas para poder almacenar mayor cantidad de calor por unidad de volumen
bull Variacioacuten de volumen (en el cambio de fase) bajo
b) Cineacuteticas
bull Evitar el problema de histeacuteresis subenfriamiento o retardo al inicio de la
solidificacioacuten como ocurre en los PCM inorgaacutenicos que se produce al no ceder
el calor latente de un PCM pese a que su temperatura sea inferior al punto de
congelacioacuten
c) Quiacutemicas
bull El proceso de cambio de fase debe ser totalmente reversible y solo dependiente
de la temperatura
bull Ser quiacutemicamente estables en el tiempo evitando su descomposicioacuten y
contaminacioacuten
bull No presentar segregacioacuten de fases
bull Ser compatibles con los materiales de encapsulado y otros con los que esteacute en
contacto estabilidad quiacutemica para evitar oxidacioacuten descomposicioacuten teacutermica
hidroacutelisis corrosioacuten y otras reacciones
bull No inflamables y resistentes al fuego
d) Teacutermicas
bull La temperatura de cambio de fase debe ser adecuada a cada aplicacioacuten
particular
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
bull Presentar una temperatura de fusioacuten definida o al menos el cambio de fase
debe producirse en un valor discreto o en un pequentildeo intervalo de temperaturas
bull Poseer una gran capacidad de almacenamiento de calor sensible (calor
especiacutefico) en estado soacutelido y liacutequido y elevada entalpia de cambio de fase calor
latente
bull Poseer una alta conductividad teacutermica para facilitar la transferencia de calor
e) Econoacutemicas
bull Estar disponible en grandes cantidades a bajo costo para que sean viables
teacutecnica y econoacutemicamente
bull Tener un razonable ciclo de vida uacutetil de acuerdo con su costo
24 Vida uacutetil del material cambio fase
El tiempo de vida uacutetil de un PCM viene determinado por la cantidad de
ciclos teacutermicos que es capaz de soportar un material manteniendo su estabilidad
teacutermica El PCM es sometido a repetidos ciclos de calentamiento y enfriamiento
en los que el material cambia de fase de soacutelido a liacutequido y posteriormente vuelve
a cambiar de fase de liacutequido a soacutelido Se miden sus propiedades teacutermicas en
temperaturas fusioacuten y entalpias obteniendo el nuacutemero de ciclos en los que las
propiedades teacutermicas del material no variacutean de forma considerable
Tras realizar una exhaustiva buacutesqueda existe muy poca bibliografiacutea
acerca de la degradacioacuten teacutermica de los PCM y la determinacioacuten de su tiempo de
uso especialmente en aplicaciones para edificacioacuten donde la vida uacutetil del material
debe ser elevada
Aunque es complicado conocer la vida uacutetil real de estos materiales y en
queacute momento dejan de conservar sus propiedades adecuadas para las
aplicaciones a las que se destina existen algunos artiacuteculos basados en
experimentos realizados en laboratorios de materiales sometidos a ciclos
teacutermicos acelerados para determinar si en un nuacutemero de ciclos el material
mantiene sus propiedades teacutermicas intactas (temperaturas fusioacuten y entalpias)
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
Algunos materiales son sometidos a 50 100 1000 o hasta 5000 ciclos teacutermicos
Pero el problema es determinar si ese maacuteximo de 5000 ciclos es suficiente para
asegurar que un material seguiraacute cumpliendo su funcioacuten Hasta el momento no
se ha encontrado en la literatura ninguna investigacioacuten donde se ensaye el
material un nuacutemero suficiente de ciclos hasta la peacuterdida de sus propiedades
teacutermicas para poder conocer su vida uacutetil o el nuacutemero de ciclos que es capaz de
soportar el PCM hasta su degradacioacuten
Por todo lo anteriormente expuesto en esta investigacioacuten se ha
considerado la vida uacutetil del material como el mayor nuacutemero de ciclos soportados
por un material obtenidos a partir de los estudios realizados por diferentes autores
en la literatura o fabricante a pesar de no haber llegado a degradarse en su
totalidad
25 Aplicacioacuten en la construccioacuten
El sector de la construccioacuten es el que maacutes beneficios puede obtener de la
utilizacioacuten de materiales con cambio de fase (PCM) ya que tiene importantes
beneficios en ahorro energeacutetico reducir la contaminacioacuten de CO2 y optimizar la
inercia teacutermica en las edificaciones con el objetivo de mejorar la habitabilidad de
los usuarios
La temperatura interior en un edificio depende de las condiciones
exteriores interiores y de las caracteriacutesticas teacutermicas de la edificacioacuten como la
capacidad teacutermica de los materiales que tiene un efecto como el mostrado en la
figura 23 el cual no considera un sistema activo en su anaacutelisis
Figura 23 Estabilizacioacuten de la temperatura interior por el efecto inercia teacutermica
Fuente (M Kenisarin amp K Mahkamov 2007)
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
Actualmente la mayoriacutea de los materiales de construccioacuten son livianos lo
que trae como consecuencia una baja capacidad caloriacutefica La introduccioacuten de
materiales de cambio de fase puede aumentar la inercia teacutermica del edificio sin
aumentar mucho su peso Sin embargo es necesario disponer de aacuterea de
transferencia de calor suficiente para liberar esa energiacutea (Dincer I amp Rosen M
2002) y es imprescindible que se pueda descargar el material por medio de la
ventilacioacuten durante la noche para prevenir el sobrecalentamiento en los
elementos con PCM (M Kenisarin amp K Mahkamov 2007)
La Figura 24 muestra una comparacioacuten entre el espesor de material
requerido para obtener la misma capacidad teacutermica que la obtenida con un
centiacutemetro de PCM
Figura 24 Espesor requerido de distintos materiales Vs Energiacutea teacutermica
Fuente (M Kenisarin amp K Mahkamov 2007)
Las caracteriacutesticas requeridas para el empleo de materiales de cambio de
fase en la edificacioacuten son
0 5 10 15 20 25 30 35 40
Yeso
Madera
Hormigon
Ceramico
Ladrillo
PCM
Espesor (cm)
H (
kJK
g)
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
Temperatura de cambio de fase entre 12 y 25ordmC
Alta estabilidad a los ciclos de cambio de fases debido a la larga vida uacutetil
de los edificios
No corrosivos para reducir el riesgo de fuga de su contenedor y evitar
dantildeos en la estructura del edificio
Considerar la inflamabilidad al fuego y dar soluciones constructivas de
acuerdo a la normativa
Econoacutemicamente viable en funcioacuten de los costos de implementacioacuten y
ahorro energeacuteticos
Una limitacioacuten de los PCM para su aplicacioacuten en la construccioacuten es la
estacionalidad pues el PCM debe ser seleccionado para aplicaciones en
calefaccioacuten pasiva Esta limitacioacuten reduce los beneficios teacutermicos el ahorro
energeacutetico y su viabilidad econoacutemica Investigadores estudiaron un concepto de
doble capa de PCM para que funcionara durante todo el antildeo (A Pasupathy L
Athanasius R Velraj amp RV Seeniraj 2008)
26 Encapsulacioacuten
Uno de los criterios que ha limitado el uso generalizado de los PCM es la
incompatibilidad entre estos materiales y sus contenedores afectando su
estabilidad a largo plazo degradado sus propiedades y provocando la corrosioacuten
de sus recipientes de embalaje Como respuesta a estos inconvenientes han
surgido diferentes teacutecnicas de encapsulacioacuten de los PCM las cuales ofrecen
unas ventajas significativas tales como
Aumento del aacuterea de transferencia de calor
Reduccioacuten de la reactividad hacia el ambiente exterior
Control de los cambios en el volumen eacutestos ocurren dentro de la capsula
No hay absorcioacuten de humedad
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
Los meacutetodos de encapsulacioacuten clasificados de acuerdo a su tamantildeo
pueden ser de dos tipos micro y macro encapsulados (Lane 1986)
261 Microcaacutepsulas
Una investigacioacuten menciona que la micro encapsulacioacuten podriacutea definirse
como el proceso de rodear o envolver una sustancia en otra sustancia a escala
muy reducida produciendo caacutepsulas que van desde 1 μm a 1000 μm de diaacutemetro
Los tres estados de la materia (soacutelidos liacutequidos y gases) pueden ser micro
encapsulado
El material de la membrana exterior debe ser compatible con el PCM y a
su vez ser capaz de hacer frente a la tensioacuten mecaacutenica sobre las paredes del
recipiente provocada por las variaciones de volumen durante el cambio de fase
(S E Kalnaeligs amp B P Jelle 2015)
Por lo general los PCM micro-encapsulados se encuentran
comercialmente disponibles en dos formatos dispersioacuten fluida donde las
caacutepsulas son dispersadas en agua o en polvo en mezclas en seco
La figura 25 muestra en teacuterminos practico la conformacioacuten de la
envolvente de poliacutemero en una cera PCM dimensionando el tamantildeo en ellas
Figura 25 Microcaacutepsulas
Fuente (S E Kalnaes and B P Jelle 2015)
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
262 Macrocaacutepsulas
La macro-encapsulacioacuten hace referencia a PCM encapsulados en
cualquier tipo de recipiente tal como tubos esferas o paneles que pueden ser
incorporados en materiales de construccioacuten o que actuacutean como intercambiadores
de calor por siacute mismos El tamantildeo de estos contenedores es por lo general maacutes
de 1 cm3 almacenando desde varios mililitros hasta varios litros La tecnologiacutea
de macro encapsulacioacuten emplea un proceso de encapsulacioacuten de doble capa
creando una caacutepsula con una configuracioacuten en forma de matriz La principal
ventaja de los envases plaacutesticos es la disponibilidad en el mercado y la facilidad
de producirlos en una gran variedad de formas y con pocas restricciones
geomeacutetricas Ademaacutes son compatibles con la mayoriacutea de PCM incluyendo las
sales hidratadas por lo general no presentan degradacioacuten aunque algunos
materiales orgaacutenicos pueden llegar a suavizarlos (S E Kalnaes and B P Jelle
2015)
El PCM se encuentra confinado por la encapsulacioacuten evitaraacute cambios
volumeacutetricos importantes lo que evita varios riesgos y garantiza la integridad del
componente en el que se insertan las caacutepsulas La barrera polimeacuterica puede ser
de otros materiales por ejemplo como aluminio ya que mejora la compatibilidad
con otros materiales de construccioacuten y evita la corrosioacuten Este tipo de aplicacioacuten
es de faacutecil manejo una clara ventaja de este proceso en relacioacuten a los meacutetodos
de impregnacioacuten e inmersioacuten del iacutetem anterior
Figura 26 Caacutepsulas de macro PCM (Contenedor plano Esfera Placas de
barra doble y placas de aluminio)
Fuente (S E Kalnaeligs amp B P Jelle 2015)
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
CAPITULO III MEacuteTODOS Y METODOLOGIacuteA
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
En este estudio la evaluacioacuten se centra en el anaacutelisis de optimizacioacuten de
la aplicacioacuten PCM a los muros exteriores y dimensionamiento del rendimiento
teacutermico de una vivienda en estudio
Los modelos generados en el software Energy Plus se ingresoacute valores de
los sistemas constructivos de la vivienda en estudio condiciones climaacuteticas
caracterizacioacuten PCM en muros exteriores y caracterizacioacuten macro encapsulacioacuten
de acuerdo con las directrices (DOE 2016) se explica en las siguientes secciones
del capiacutetulo
31 Herramienta de simulacioacuten de energiacutea
Para evaluar los PCM de comportamiento teacutermico variable de la vivienda
en estudio con y sin PCM se utilizoacute el software EnergyPlus v 87
En teacuterminos generales el software puede evaluar una variedad de caacutelculos
destacados como los caacutelculos de puentes teacutermicos HVAC integrado y
simulaciones de carga de construccioacuten confort teacutermico y materiales con
conductividad teacutermica variable como el PCM (DB Crawley LK Lawrie FC
Winkelmann WF Buhl YJ Huang amp CO Pedersen 2001) Ademaacutes hay
muchas opciones para la conveccioacuten de la superficie interior y exterior
algoritmos infiltracioacuten avanzada e ventilacioacuten energiacutea desarrollada costos del
ciclo de vida algoritmos avanzados de confort teacutermico como como la calidad del
aire interior y el confort teacutermico para los ocupantes (DB Crawley JW Hand M
Kummert amp BT Griffith 2008)
Para analizar el comportamiento teacutermico variable de los PCM en estudio
se utilizoacute el algoritmo de diferencia finita de conduccioacuten (CondFD) Este algoritmo
modela la transferencia de calor en presencia de PCM y junto con la ecuacioacuten (2)
discretiza la envolvente del edificio en varios nodos para resolver numeacutericamente
la transferencia de calor en el software se puede escoger ecuaciones por un
esquema totalmente impliacutecito y el Crank-Nicolson que es semi-impliacutecito (KO
Lee 2016)
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
42
Diego Sarabia Meacutendez
En esta investigacioacuten se utiliza un esquema Crank-Nicolson para simular
PCM para un material homogeacuteneo con espaciado uniforme de nodos como se
muestra en la ecuacioacuten (2) (3) y (4) extraiacutedo del manual del software
EnergyPlus (DOE 2016)
119862119901120588∆119909119879119894
119895+1minus 119879119894
119895
∆119905= (119896119908
119879119894+1119895+1
minus 119879119894119895+1
∆119909+ 119896119864
119879119894minus1119895+1
minus 119879119894119895+1
∆119909+ 119896119908
119879119894+1119895
minus 119879119894119895
∆119909+ 119896119864
119879119894minus1119895
minus 119879119894119895
∆119909)
Ec 2
∆119909 = radic119888120572∆119905 Ec 3
Donde Cp y ρ son el calor especiacutefico y la densidad del material Δ119909 es el
espesor de capa de diferencia finita Δ119905 es el paso de tiempo 119879 es la temperatura
de un nodo 119894 119894 + 1 y 119894 minus 1 son los nodos adyacentes al interior y exterior
respectivamente de una capa de material 119895 y 119895 + 1 son los pasos de tiempo
anterior y nuevo 119896119908 y 119896119864 representan las conductividades teacutermicas 119896119908 =
119896119894+1119895+1
+119896119894119895+1
2 y 119896119864 =
119896119894minus1119895+1
+119896119894119895+1
2 120572 es la difusividad teacutermica del material y 119888 es la
constante de discretizacioacuten del espacio que puede definir el usuario (3 es el valor
predeterminado para esta constante seguacuten manual)
Esta investigacioacuten considera el uso de paneles PCM por lo tanto el
algoritmo CondFD ecuacioacuten (2) debe combinarse con una funcioacuten de temperatura
de entalpiacutea ℎ = ℎ (119879) estos datos en la funcioacuten se obtendraacuten de acuerdo al estudio
bibliograacutefico El algoritmo usa esta funcioacuten para actualizar el calor especiacutefico
equivalente (119862119901) en cada paso de tiempo como se muestra en la ecuacioacuten (4)
lowast 119862119901(119879) =ℎ119894
119895minus ℎ119894
119895minus1
119879119894119895
minus 119879119894119895minus1
Ec 4
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
43
Diego Sarabia Meacutendez
32 Descripcioacuten Vivienda en estudio
En este apartado se define los sistemas constructivos de la vivienda en
estudio con y sin PCM para obtener la liacutenea base de comparacioacuten
En la figura 31 se muestra el disentildeo de vivienda en estudio de 56 m2 y
los espacios interiores con su distribucioacuten de aacutereas veacutease en la tabla 31 esta
vivienda se configuro de acuerdo a las soluciones constructivas acreditadas
(MINVU Soluciones constructivas acreditadas al fuego teacutermico y acuacutestico
2020)
Las caracteriacutesticas de la envolvente de la vivienda en estudio cuentan con
la configuracioacuten miacutenima de la reglamentacioacuten teacutermica que actualmente rige en
Chile estaacute establecida en la Ordenanza General de Urbanismo y Construcciones
en su artiacuteculo 4110 y en una zonificacioacuten del paiacutes en zonas teacutermicas seguacuten
grados-diacutea especificados en el manual de aislamiento teacutermico (MINVU Manual
de aplicacioacuten y reglamentacoacuten teacutermica 2017) Los complejos de techumbres
muros perimetrales y pisos inferiores ventilados entendidos como elementos que
constituyen la envolvente de la vivienda deberaacuten tener una transmitancia teacutermica
ldquoUrdquo igual o menor o una resistencia teacutermica total ldquoRtrdquo igual o superior a la
sentildealada para la zona que le corresponda al proyecto de arquitectura de acuerdo
con los planos de zonificacioacuten teacutermica corresponde a zona 4 y se verifica lo
anteriormente expuesto en la tabla 32 cabe sentildealar que los valores de
transmitancia teacutermica se extrajeron de acuerdo a las ecuaciones de balance
teacutermico que estaacute incorporado en el software
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
44
Diego Sarabia Meacutendez
Figura 31 Descripcioacuten Vivienda en estudio
Elaboracioacuten Propia - Software Revit
A continuacioacuten se muestra las dimensiones que tiene cada espacio de las
dos torres del edificio en las siguientes tablas
Tabla 31 Resumen superficies de los distintos espacios vivienda en estudio
Torre A
Lugar Superficie (119950120784) Altura (m)
Dormitorio Primario 8 24
Dormitorio Secundario 7 24
Cocina 9 24
Living - Comedor 28 24
Bantildeo 3 24
TOTAL 56
Fuente Elaboracioacuten Propia
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
Tabla 32 Cumplimiento de la envolvente elementos constructivos de la vivienda en estudio
Elemento Materiales (exterior al
interior)
Espesor (m)
Transmitencia teacutermica Valor U (Wm2K)
Transmitencia teacutermica exigida Valor U (Wm2K)
Muro Exterior
Siding
Fibrocemento
0006
0672
17
Plancha OSB 0009
Entramado
madera pino 2x3
0075
Lana de vidrio 005
Caacutemara no
ventilada
(Ubicacioacuten del
PCM)
0026
Placa yeso cartoacuten 0015
Muro Interior
Placa yeso cartoacuten 0015
0677
17
Entramado
madera pino 2x2
0075
Lana de vidrio 005
Placa yeso cartoacuten 0015
Techumbre
Plancha Zincalum 0035
0316
038
Fieltro 0005
Plancha OSB 0009
Entramado madera pino 2x2
0075
Lana de Vidrio 005
Placa yeso cartoacuten 00125
Piso en contacto
con el terreno
Radier Hormigoacuten 02 17 No aplica
Fuente Elaboracioacuten Propia
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
Para integrar el PCM con la vivienda en estudio se configuro las
propiedades teacutecnicas y la ubicacioacuten optima interna del PCM al panel externo
constructivo donde se administroacute en el modelo de simulacioacuten veacutease en la Figura
313 y figura 38
321 Meacutetodo de zona en software EnergyPlus
El modelo de construccioacuten creado se utilizoacute el meacutetodo de zona donde
todas las zonas fueron modeladas con informacioacuten completa en construccioacuten
ocupacioacuten equipamiento y HVAC
Al iniciar el modelo se elige la ubicacioacuten y el tipo de anaacutelisis Despueacutes se
debe ingresar un nombre al sitio y a cada zona Ademaacutes se puede asignar varios
edificios bajo el mismo sitio cada uno con su propio nombre Una vez definido lo
anterior se genera bloque que generalmente representa un piso o nivel planta
para este estudio se genera bloque de acuerdo a la figura 32
Figura 32 Modelo de zona en casa de estudio
Fuente Elaboracioacuten Propia
La fase de zonificacioacuten separa las diferentes zonas teacutermicas Para el
modelo cada suite se considera una zona El meacutetodo de zona permite asignar
diferentes horarios operativos a cada zona Cada una de las paredes de cada
bloque se llama superficie y ventanas o puertas como sub-superficies o
aberturas La vivienda se muestra parcialmente en la Figura 33
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
47
Diego Sarabia Meacutendez
Figura 33 Zona y sub-superficie de vivienda en estudio
Fuente Elaboracioacuten Propia
El software da la posibilidad de elegir los materiales utilizados en la
construccioacuten de la vivienda a traveacutes de sus bibliotecas de materiales o pueden
ser creados por el usuario y los materiales elegidos son asignado a las partes
especificadas de la vivienda Estos pasos se repitieron en todos los pisos para
completar todo el modelo de construccioacuten
33 Datos meteoroloacutegicos
El modelo de simulacioacuten se mantuvo en base a los datos meteoroloacutegicos
con formato EPW en Energy plus se definioacute la ubicacioacuten Concepcioacuten Chile Con
el objetivo de evaluar el rendimiento teacutermico y analizar la optimizacioacuten de la
posicioacuten del PCM al muro exterior de la vivienda en estudio Las configuraciones
de los datos meteoroloacutegicos se muestran en la Figura 34
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
Figura 34 Configuracioacuten datos meteoroloacutegico
Fuente Elaboracioacuten Propia
34 Jornadas de ocupacioacuten
Para realizar la simulacioacuten energeacutetica se deben definir una serie de
planillas de ocupacioacuten de los recintos uso de luminaria y equipos En estas
planillas de ocupacioacuten se define el ciclo horario para todos los diacuteas del antildeo
Esto se realiza con la finalidad de establecer los periodos en los que
influyen los distintos tipos de cargas internas en la vivienda
A continuacioacuten se adjunta a modo de ejemplo la figura 35 en la cual se
puede ver el menuacute de configuracioacuten de las plantillas de ocupacioacuten
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
49
Diego Sarabia Meacutendez
Figura 35 Planilla de uso horario de un recinto
Fuente Elaboracioacuten propia
35 Configuracioacuten envolvente por elemento y sistemas de climatizacioacuten
Definidos las zonas y multi zonas del modelo se deberaacute configurar los
sistemas constructivos en sus propiedades teacutermicas y dimensiones El software
automaacuteticamente genera el caacutelculo de transmitancia teacutermica anaacutelisis de
condensacioacuten y dimensioacuten en imagen por elemento Veacutease en la figura 36
Para configurar el sistema de climatizacioacuten primero se debe definir los
rangos de temperatura confort teacutermico en la pestantildea de actividades del software
Veacutease figura 37 A continuacioacuten se define el tipo de sistema de climatizacioacuten
definiendo las horas de operacioacuten tipo combustible y rendimiento del sistema
como se muestra en la figura 38
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
50
Diego Sarabia Meacutendez
Figura 36 Planilla configuracioacuten envolvente por elemento
Fuente Elaboracioacuten propia
Figura 37 Planilla configuracioacuten rango de temperatura confort teacutermico
Fuente Elaboracioacuten propia
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
Figura 38 Planilla configuracioacuten del tipo de sistema de climatizacioacuten
Fuente Elaboracioacuten propia
36 Caracterizacioacuten PCM
En este estudio se utilizoacute placas PCM tipo orgaacutenico de parafina tiene una
relacioacuten de mezcla de n-octadecano a n-heptadecano seleccionado debido a la
eficiencia energeacutetica con temperatura cercana al confort teacutermico (12ndash26 deg C)
basado en ISO 13790 (KO Lee 2016)
Seguacuten el estado de arte existente se definioacute los tres materiales de cambio
de fase los cuales son candidatos idoacuteneos para utilizar en esta investigacioacuten
Estos materiales han sido estudiados por diversos autores con el fin de obtener
sus propiedades termofiacutesicas y usarlas en la edificacioacuten La razoacuten de utilizar estos
materiales es debido a sus propiedades teacutermicas y el que su temperatura de
fusioacuten es cercana a la temperatura de confort
Ademaacutes la vida uacutetil del PCM es de 13 antildeos seguacuten su ciclo de cambio
fase considerando 365 cambios fase anual el cual se justifica con los costos de
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
52
Diego Sarabia Meacutendez
inversioacuten al implementar esta tecnologiacutea dependiendo de la magnitud del flujo
de calor el cuaacutel se quiere operar
Las especificaciones teacutecnicas de las placas PCM y el comportamiento de
temperaturas y entalpias de operacioacuten se describen en la tabla 33 las cuales se
vinculan con el algoritmo CondFD de la ecuacioacuten (2) para evaluar su rendimiento
energeacutetico en la vivienda en estudio
361 Seleccioacuten de Materiales Cambio Fase
Tabla 33 Especificaciones teacutecnicas de PCM a utilizar
Caracteriacutesticas RT18HC
Valores Unidades Grafica entalpia y Temperatura
Temperatura de Fusioacuten
18
degC
Almacenamiento de calor
260 [kJkg]
Capacidad calor especifico
2 [kJkgK]
Densidad solido (a los 15degC)
088 [kgl]
Densidad solido (a los 25degC)
077 [kgl]
Conductividad teacutermica
(Ambas fases)
02 [W(mK)]
Expansioacuten de Volumen
125
Maacutexima temperatura operacioacuten
50 degC
Ciclo Cambio fase
5000 -
Caracteriacutesticas RT21HC
Valores Unidades Grafica entalpia y Temperatura
Temperatura de Fusioacuten
21
degC
Almacenamiento de calor
155 [kJkg]
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
53
Diego Sarabia Meacutendez
Capacidad calor especifico
2 [kJkgK]
Densidad solido (a los 15degC)
088 [kgl]
Densidad solido (a los 25degC)
077 [kgl]
Conductividad teacutermica
(Ambas fases)
02 [W(mK)]
Expansioacuten de Volumen
12
Maacutexima temperatura operacioacuten
45 degC
Ciclo Cambio fase
5000 -
Caracteriacutesticas RT22HC
Valores Unidades Grafica entalpia y Temperatura
Temperatura de Fusioacuten
22
degC
Almacenamiento de calor
190 [kJkg]
Capacidad calor especifico
2 [kJkgK]
Densidad solido (a los 15degC)
076 [kgl]
Densidad solido (a los 25degC)
070 [kgl]
Conductividad teacutermica
(Ambas fases)
02 [W(mK)]
Expansioacuten de Volumen
125
Maacutexima temperatura operacioacuten
50 degC
Ciclo Cambio fase
5000 -
Fuente (Rubitherm 2020)
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
362 Configuracioacuten del PCM en EnergyPlus
De acuerdo al estudio bibliograacutefico de los materiales cambio fase para
ingresar los datos al software se debe definir las cantidades de temperatura de
operacioacuten identificar el punto de fusioacuten en las graacuteficas de entalpia y temperatura
de la tabla 33 conductividad teacutermica calor especifico densidades y espesor en
el elemento constructivo con el fin de determinar el flujo de calor de operacioacuten
de acuerdo al balance termodinaacutemico de la ecuacioacuten (2) A continuacioacuten se
adjunta a modo de ejemplo la figura 39 en la cual se puede ver el menuacute de
configuracioacuten
Figura 39 Configuracioacuten del PCM en el software
Fuente Elaboracioacuten Propia
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
363 Cotizacioacuten PCM RT21
La inversioacuten total del material cambio fase es de $1106679
correspondiente a 160 kg con transporte incluido Se observa que el costo de
transporte afecta considerablemente en su valor (Alemania)
Se realizoacute cotizacioacuten del material RT21 en la empresa alemana Rubitherm
se presenta en la figura 310
Figura 310 Cotizacioacuten del material RT21
Fuente (Rubitherm 2020)
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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37 Caracterizacioacuten Macro encapsulacioacuten
En esta seccioacuten la placa de macro encapsulacioacuten utilizada para el PCM
es de materialidad de aluminio veacutease figura 311 esto aumenta la transferencia
de calor en los PCM Son dos placas que estaacuten unidas entre siacute Se unen en dos
puntos centrados y se pegan en sus marcos Pueden ser utilizados para PCM
(orgaacutenico - inorgaacutenico) Por lo tanto se puede ofrecer un rango de temperatura
para una variedad de aplicaciones El grosor depende del volumen de llenado y
por lo tanto de la capacidad de almacenamiento Para el estudio se seleccionoacute
el modelo CSM105 Rubitherm el cual su espesor es de 15 mm y puede
almacenar 2 Kg de PCM por placa
Figura 311 Modulo Almacenamiento Macro encapsulacioacuten de aluminio
Fuente (Rubitherm 2020)
371 Cotizacioacuten Macro encapsulacioacuten
La inversioacuten total de la Macro encapsulacioacuten de aluminio modelo CSM105
Rubitherm es de $ 4326306 correspondiente a 150 unidades con transporte
incluido Se observa que el costo de transporte afecta considerablemente en su
valor (Alemania) Se realizoacute cotizacioacuten de los elementos de Macro encapsulacioacuten
de aluminio modelo CSM105 Rubitherm se presenta en la figura 312
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
57
Diego Sarabia Meacutendez
Figura 312 Cotizacioacuten Macro encapsulacioacuten
Fuente (Rubitherm 2020)
38 Validacioacuten muro constructivo con PCM
De acuerdo a los estudios del estado de arte y conocimientos teacutecnicos se
validoacute el sistema constructivo propuesto del muro exterior en el cumplimiento de
resistencia al fuego de acuerdo al cataacutelogo de soluciones constructivas del
MINVU y de la Ordenanza General de Urbanismo y Construcciones (OGUC)
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
381 Cumplimiento de la OGUC y Resistencia al fuego
Dentro de las exigencias a cumplir por la OGUC se tiene la resistencia
al fuego en elementos constructivos seguacuten el tipo de recinto Para el caso del
muro de la vivienda en estudio se hace el siguiente anaacutelisis
De la tabla Ndeg34 seguacuten ldquodestino del edificiordquo ldquosuperficie edificada (m2)rdquo y
ldquonuacutemero de pisosrdquo se obtiene una clasificacioacuten (a b c y d) seguacuten corresponda
En el caso de estudio se tiene una vivienda de 1 piso por lo que el destino
es ldquoHabitacionalrdquo y por nuacutemero de pisos se establece una clasificacioacuten ldquodrdquo
Tabla 34 Clasificacioacuten de los edificios seguacuten su destino superficie edificada y
nuacutemero de pisos Destino del Edificio Superficie Edificada (m2) Nuacutemeros de Pisos
1 2 3 4 5 6 7 o mas
Habitacional Cualquiera d d c c b a a
Hoteles Sobre 5000 c b a a a a a
Sobre 1500 y hasta 5000 c b b b a a a
Sobre 500 y hasta 1500 c c b b a a a
Hasta 500 d c b b a a a
Oficinas Sobre 1500 c c b b b a a
Sobre 500 y hasta 1500 c c c b b b a
Hasta 500 d c c b b b a
Museos Sobre 1500 c c b b b a a
Sobre 500 y hasta 1500 c c c b b b a
Hasta 500 d c c b b b a
Clinica Hospitales y Lab Sobre 1000 c b b a a a a
Hasta 1000 c c b b a a a
Policlinicos Sobre 400 c c b b b b a
Hasta 400 d c c b b b a
Restaurante Sobre 500 b a a a a a a
Sobre 250 y hasta 500 c b b a a a a
Hasta 250 d c c b b a a
Locales Comerciales Sobre 500 c b b a a a a
Sobre 200 y hasta 500 c c b b a a
Hasta 200 d c b b b a a
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
Bibliotecas Sobre 1500 b b a a a a a
Sobre 500 y hasta 1500 b b b a a a a
Sobre 250 y hasta 500 c b b b a a a
Hasta 250 d c b b a a a
Automotoras Cualquiera d c c b b b a
Edificio Estacionamiento Cualquiera d c c c b b a
Fuente (MINVU Soluciones constructivas acreditadas al fuego teacutermico y
acuacutestico 2020)
Para lograr obtener la resistencia al fuego necesaria se debe utilizar
ademaacutes la tabla 34 la cual utilizo como criterios la clasificacioacuten obtenida de la
tabla 35 y el tipo de elemento constructivo
Tabla 35 Resistencia al fuego para diferentes elementos de construccioacuten Elementos de Construccioacuten
Tipo (1) (2) (3) (4) (5) (6) (7) (8) (9)
A F-180 F-120 F-120 F-120 F-120 F-30 F-60 F-120 F-60
B F-150 F-120 F-90 F-90 F-90 F-15 F-30 F-90 F-60
C F-120 F-90 F-60 F-60 F-60 - F-15 F-60 F-30
D F-120 F-60 F-60 F-60 F-30 - - F-30 F-15
Fuente (MINVU Soluciones constructivas acreditadas al fuego teacutermico y
acuacutestico 2020) Simbologiacutea
Elementos verticales
(1) Muros cortafuego
(2) Muros zona vertical de seguridad y caja de escalera
(3) Muros caja de ascensores
(4) Muros divisorios entre unidades (hasta la cubierta)
(5) Elementos soportantes verticales
(6) Muros no soportantes y tabiques
Elementos verticales y horizontales
(7) Escaleras
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
60
Diego Sarabia Meacutendez
Elementos Horizontales
(8) Elementos soportantes horizontales
(9) Techumbre incluido cielo falso
Para el caso de los muros que dan al exterior de la vivienda en estudio se
considera en la categoriacutea (5) y seguacuten la clasificacioacuten obtenida de la tabla 35 (d)
se tiene un grado de resistencia al fuego F-30
Para cumplir con esta exigencia se utiliza una solucioacuten del cataacutelogo de
soluciones constructivas del MINVU la cual se presenta a continuacioacuten
Tabla 36 Tabique perimetral estructura madera en vivienda en estudio
A233014 Tabique Estructura Madera Volcanita 15 mm RF Placa
OSB 9 mm Siding Volcan 6 mm Aislanglas R122 50 mm
Elemento estaacute formado por una estructura de madera hecha con listones de pino
radiata de 2rdquo x 3rdquo en bruto Consta de 5 pie-derechos distanciados entre ejes
cada 06 m dos cadenetas distanciadas entre ejes cada 08 m una solera inferior
y otra superior Esta estructuracioacuten esta forrada por una de sus caras con una
plancha de yeso-cartoacuten ldquoVolcanita RFrdquo de 15 mm de espesor La otra cara esta
forrada con una placa de madera OSB de 9 mm de espesor y como terminacioacuten
en esta cara lleva unas fajas horizontales de fibrocemento ldquoSiding Volcanrdquo tipo
tinglado de 190 mm de ancho y 6 mm de espesor Todo el conjunto esta
atornillado a la estructura de madera Esta conformacioacuten deja espacios libres en
el interior del panel estaacuten rellenos con una manta de lana de vidrio tipo rollo libre
R122 de 50 mm de espesor de densidad media aparente de 14 kgm3 Las
dimensiones para el ensayo fue 22 de ancho x 24 de alto y 105 mm de espesor
INSTITUCION Ndeg Informe Lab Fecha Resistencia Inscripcioacuten
Volcaacuten SA 374721 IDIEM 26-06-96 F-30 2015
Fuente (MINVU Soluciones constructivas acreditadas al fuego teacutermico y
acuacutestico 2020)
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
61
Diego Sarabia Meacutendez
Otra de las exigencias por parte de la OGUC es el cumplimiento de la
reglamentacioacuten teacutermica mostrado en la tabla 32 para esto se compara las
transmitancias teacutermicas exigidas con las envolventes de los elementos
constructivos de la vivienda en estudio Para el caso del muro donde se
incorporaraacute el PCM se seleccionoacute de acuerdo al listado de soluciones
constructivas del MINVU para validar la resistencia al fuego En la figura 313 se
visualiza las componentes de la envolvente del muro con PCM
Figura 313 Sistema Constructivo Muro exterior con PCM en vivienda estudio
Fuente Elaboracioacuten Propia
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
62
Diego Sarabia Meacutendez
CAPITULO IV RESULTADOS Y DISCUSIOacuteN
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
63
Diego Sarabia Meacutendez
En este segmento se evaluoacute el comportamiento energeacutetico de los
materiales cambio fase mediante el software Energy Plus Los materiales cambio
fase se produce dentro de placas de macro encapsulacioacuten de aluminio al interior
de los muros exteriores
Por lo tanto se observoacute el aporte energeacutetico de los materiales cambio fase
en un sistema activo de calefaccioacuten optimizando los sistemas constructivos en
la vivienda en estudio y dar respuesta a su aplicacioacuten en acondicionamiento
ambiental
41 Comportamiento Energeacuteticos de los materiales cambio fase
A continuacioacuten se comparoacute el comportamiento energeacutetico de dos sistemas
de climatizacioacuten con el aporte energeacutetico pasivo de los distintos materiales
cambio fase en una vivienda en estudio
411 Rendimiento energeacutetico de calefaccioacuten con y sin PCM
Para evaluar el comportamiento energeacutetico se definioacute la temperatura de
fusioacuten de los PCM en el rango de 18 a 22degC el aporte energeacutetico de los PCM
ayudo a mantener constante la temperatura confort de 21degC en la vivienda y
reducir los consumos energeacuteticos del sistema activo para este estudio se
escogioacute dos sistemas de climatizacioacuten caso 1 calefaccioacuten a lentildea con un η=07 y
caso 2 Climatizacioacuten por bomba de calor η=27 esta seleccioacuten se debe a que el
sistema de calefaccioacuten a lentildea es el maacutes usado en la zona genera una alta
contaminacioacuten ambiental por su combustioacuten en material particulado es el
combustible maacutes econoacutemico por unidad de energiacutea y su inversioacuten es accesible
en cambio los equipos de bomba calor tienen un mayor rendimiento energeacutetico
tiene menos impacto al medio ambiente y su inversioacuten es costosa
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
64
Diego Sarabia Meacutendez
La figura 41 (a) muestra las potencias maacuteximas de disentildeo en
climatizacioacuten comparando la liacutenea base con la implementacioacuten de materiales
PCM en vivienda en estudio ubicado en Concepcioacuten Chile A traveacutes de este
anaacutelisis se identificoacute una disminucioacuten en su potencia de disentildeo de 319 (de
263 kW a un 179 kW) con respecto al caso base
Figura 41 (a) Potencia maacutexima disentildeo con y sin PCM en vivienda estudio
Fuente Elaboracioacuten Propia
En la figura 41 (b) y (c) se realizoacute la comparacioacuten de distintos tipos de
materiales PCM con un rango de temperatura de fusioacuten entre 18 degC a 22degC para
determinar cuaacutel es maacutes eficiente en funcioacuten de las variables de disentildeo
emplazamientos y propiedades teacutermicas
Para el primer caso se evaluoacute el sistema de calefaccioacuten a lentildea y el rol
clave de estos materiales PCM es reducir el consumo energeacutetico y el kgCO2
generado por la combustioacuten En los resultados se visualizoacute que el material cambio
fase optimo corresponde al PCM 22HC arrojando una reduccioacuten del consumo
energeacutetico de 341 (de 3694 kWh a un 2434 kWh) en comparacioacuten al caso base
CocinaDormitorioSecundario
DormitorioPrimario
Living-Comedor
Bantildeo
Sin PCM 03 037 047 129 02
Con PCM 017 027 033 087 015
0
02
04
06
08
1
12
14
Dem
ada
En
erge
tica
(k
W)
Potencia Maxima de Disentildeo
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
Para el segundo caso se evaluoacute un sistema de bomba de calor multisplit
al igual que en el caso anterior el material optimo corresponde al PCM 22HC se
observoacute una disminucioacuten de consumo energeacutetico de un 344 (de 688 kWh a un
451 kWh) en comparacioacuten al caso base
Para ambos casos se observoacute una notable reduccioacuten de los consumos
energeacuteticos en estacioacuten friacutea
Figura 41 (b) Caso 1 - Consumo energeacutetico en calefaccioacuten Lentildea con y sin
PCM en vivienda estudio
Fuente Elaboracioacuten Propia
Ene Feb Mar Abr May Jun Jul Ago Sept Oct Nov Dic
Sin PCM 75 79 138 267 477 604 626 498 408 271 147 104
PCM 18 37 34 73 188 424 579 602 440 347 185 85 60
PCM 21 31 27 64 167 397 547 570 405 313 161 71 53
PCM 22 13 11 39 138 354 506 528 357 275 130 49 34
0
200
400
600
800
1000
Co
nsu
mo
Co
mb
ust
ible
(k
Wh
)
Consumo Combustible Lentildea Mensual
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
Figura 41 (c) Caso 2 - Consumo energeacutetico Bomba de calor con y sin PCM en
vivienda estudio
Fuente Elaboracioacuten Propia
Se identificoacute que la temperatura de fusioacuten maacutes baja de los PCM no es
viable en la optimizacioacuten del sistema pasivo en climatizacioacuten podriacutea ser explicado
por las variables temperatura exteriores dependiendo de las condiciones
climaacuteticas por su emplazamiento Por ejemplo de acuerdo con las cargas
maacuteximas de calefaccioacuten se debe a que la energiacutea en invierno aumento
estableciendo las temperaturas de confort teacutermico esta es una variable de
seleccioacuten del PCM que serviraacute para optimizar el disentildeo en funcioacuten del confort
teacutermico disminuyendo demanda energeacutetica perdidas caloriacuteficas y consumos
energeacuteticos de sistemas de calefaccioacuten activos
Seguacuten el estado de arte otro punto importante a comentar es tener en
cuenta que las curvas de entalpia y temperatura tanto para refrigeracioacuten y
calefaccioacuten deben ser lo maacutes cercana posible de lo contrario se produciriacutea una
Ene Feb Mar Abr May Jun Jul Ago Sept Oct Nov Dic
Sin PCM 14 15 26 50 89 112 116 92 78 50 27 19
PCM 18 7 6 14 35 79 107 112 82 64 34 16 11
PCM 21 57 5 12 31 74 101 106 75 58 30 13 10
PCM 22 23 2 72 256 66 936 976 662 511 24 9 63
0
20
40
60
80
100
120
Co
nsu
mo
Co
mb
ust
ible
(k
Wh
)Consumo Combustible Bomba de calor Mensual
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
histeacuteresis o sub enfriamiento y afectariacutea considerablemente el rendimiento del
PCM en su aplicacioacuten
Para la implementacioacuten de sistemas activos sustentables en climatizacioacuten
se demuestra en el estudio que el aporte energeacutetico de los PCM es mantener la
temperatura constante dentro de los espacios interiores y ayudan tambieacuten a bajar
considerablemente los consumos energeacuteticos y es un aporte al medio ambiente
Para sistemas pasivos la eficiencia en los PCM en los muros exteriores
podriacutea incrementarse sugiriendo que haya acristalamiento a base de muros
cortina durante el diacutea lleva al PCM al proceso de cambio de fase de manera
estable en el tiempo debido a su almacenamiento teacutermico (F Ascione RF De
Masi F de Rossi S Ruggiero amp GP Vanoli 2016)
Ademaacutes la disminucioacuten de un 319 en potencia maacutexima de disentildeo para
equipos de climatizacioacuten arrojado en este estudio y un promedio de 33 en
reduccioacuten en consumo energeacutetico en los dos casos de climatizacioacuten propuestos
se puede inferir que los materiales cambio fase es capaz de contribuir a eficiencia
energeacutetica
412 Inversioacuten inicial y costos operativos en sistemas de calefaccioacuten con y sin PCM
Se hizo un anaacutelisis de los principales costos asociados a la adquisicioacuten de
los equipos y operacioacuten de eacutestos No se consideraraacute valor residual o de
salvamiento Para poder comparar la vida uacutetil a usar seraacute de 10 antildeos
Al obtener los valores de consumos energeacuteticos en las simulaciones de
los casos propuestos se visualiza una aproximacioacuten en demostrar el beneficio
econoacutemico que aporta los PCM a los sistemas activos Vease en figura 42
En el caso 1 sistema de calefaccioacuten a lentildea se observoacute una disminucioacuten
en los costos de operacioacuten anual de un 341 (de $88656 a un $58416)
($ 24 por kWh) (BES 2017) y en el caso 2 sistema de climatizacioacuten por bomba
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
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calor se observoacute una disminucioacuten en los costos de operacioacuten anual de un 344
(de $72928 a un $47795) ($ 106 por kWh) (BES 2017)
Figura 42 Inversioacuten inicial y costos operativos sistema climatizacioacuten con y sin
PCM en vivienda estudio
Fuente Elaboracioacuten Propia
42 Propuesta de aplicacioacuten PCM a caso base como sistema de actualizacioacuten
Seguacuten los resultados del comportamiento energeacutetico de la vivienda en
estudio con y sin PCM Se identificoacute un enfoque diferente e innovador para
sistemas pasivos de acondicionamiento ambiental o el aporte energeacutetico
significativo de los PCM a los sistemas activos para mantener su temperatura
constante en su operacioacuten
Una correcta ubicacioacuten del PCM a los muros exteriores de una vivienda en
estudio mostro significativamente un ahorro de energiacutea con respecto al caso
base esto se debe a la colocacioacuten del PCM en la particioacuten interna en los muros
exteriores emplazamiento de la vivienda tipo de encapsulacioacuten y orientacioacuten de
los muros con respecto al sol
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
Sin PCM PCM 22HC Inversion
Mil
es d
e p
eso
sInversion inicial y costos operativos en sistema
climatizacion
Caso 1 Sistema Calefaccion Lentildea Caso 2 Sistemas Bomba de Calor
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
El tipo de encapsulacioacuten de acuerdo al panel constructivo mostro que debe
ser macro encapsulacioacuten con materialidad de aluminio para aumentar la
conductividad teacutermica de los materiales cambio fase que era una de sus
desventajas teacutecnicas
A traveacutes de este anaacutelisis se identificoacute que material de cambio de fase se
debe seleccionar de acuerdo a la aplicacioacuten pasiva en vivienda en estudio
considerando variables de seleccioacuten como cineacuteticas fiacutesicas quiacutemicas teacutermicas
y econoacutemicas
Finalmente se observoacute que es posible maximizar la eficiencia de la
energiacutea en mantener la temperatura constante en los espacios interiores con el
aporte energeacutetico de los sistemas pasivos cuando se usa materiales cambio fase
en los muros exteriores de la vivienda en estudio Ademaacutes el PCM con
temperatura de fusioacuten cercana a la temperatura confort logra un mayor
rendimiento energeacutetico seguacuten su emplazamiento y reduce considerablemente los
costos de operacioacuten de un sistema climatizacioacuten activo aportaacutendole energiacutea
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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CONCLUSIONES
El trabajo reciente propone un anaacutelisis de optimizacioacuten del PCM a una
vivienda en estudio como una aplicacioacuten de actualizacioacuten a sistemas pasivos y
se evaluoacute el comportamiento energeacutetico de dos sistemas activos de climatizacioacuten
mediante el uso del software EnergyPlus
En este estudio se describe la seleccioacuten de materiales de cambio fase a
utilizar la encapsulacioacuten adecuada en base a la aplicacioacuten y propiedades de
disentildeo
En el anaacutelisis del comportamiento energeacutetico de la vivienda en estudio se
observoacute que el PCM adecuado seguacuten la temperatura de fusioacuten estaacute en el rango
de 18 a 22 degC cercano a la temperatura de confort teacutermico Para este estudio se
escogioacute el PCM 22HC ya que su comportamiento es ideal para la vivienda en
estudio arrojando un 319 (de 263 kW a un 179 kW) de reduccioacuten de
potencias maacuteximas de disentildeo en climatizacioacuten De acuerdo al PCM escogido se
analizoacute el comportamiento del consumo energeacutetico en dos sistemas de
climatizacioacuten Caso 1 Sistema calefaccioacuten a lentildea mostro una reduccioacuten del
consumo energeacutetico de 341 (de 3694 kWh a un 2434 kWh) Para el segundo
caso se evaluoacute un sistema de bomba de calor multisplit al igual que en el caso
anterior el material optimo corresponde al PCM 22HC se observa una
disminucioacuten de consumo energeacutetico de un 344 (de 688 kWh a un 451 kWh) en
comparacioacuten al caso base lo que implica una notable reduccioacuten de los consumos
energeacuteticos en la estacioacuten friacutea Ademaacutes junto con los valores de consumo
energeacutetico se evaluoacute los costos de operacioacuten anual arrojando una disminucioacuten
promedio de 34 debido al aporte de los PCM
En general estos resultados sostienen firmemente que es posible mejorar
la eficiencia del ahorro energeacutetico cuando los PCM se instala en los muros
exteriores maximizando los ahorros energeacuteticos Por lo tanto para lograr la
optimizacioacuten de la envolvente de la vivienda con aplicacioacuten PCM la temperatura
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
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de fusioacuten fue de 22 deg C y el macro encapsulamiento es de material de aluminio
mejorando su transmitancia teacutermica del flujo de calor en los paneles
constructivos dando como resultado una adecuada actualizacioacuten a la aplicacioacuten
y a la instalacioacuten de los PCM a la vivienda en estudio ubicada en Concepcioacuten
Chile
Los costos de implementacioacuten en la tecnologiacutea pasiva como los PCM tiene
un elevado valor debido al costo del transporte (Alemania) se podriacutea justificar
encargando por mayor estos insumos y aplicarlo a un lote de viviendas
Es importante aplicar el PCM optimizado considerando el enfoque y
variables de disentildeo como la condicioacuten climaacutetica temperatura de fusioacuten de PCM
encapsulamiento y irradiacioacuten solar
La implementacioacuten de esta tecnologiacutea demuestra que aporta en la
reduccioacuten de material particulado en zonas criacuteticas en contaminacioacuten y las
emisiones de CO2 aportando al medio ambiente
Se deberaacute tener en cuenta que las curvas de entalpia y temperatura de los
PCM tanto para refrigeracioacuten y calefaccioacuten deben ser lo maacutes cercana posible de
lo contrario se produciriacutea una histeacuteresis o subenfriamiento y afectariacutea
considerablemente el rendimiento del PCM en su aplicacioacuten
Como investigacioacuten adicional queda por explorar la optimizacioacuten de PCM
aplicado a paredes exteriores con persianas de acristalamiento o invernaderos
adosados al poseer mayor captacioacuten de energiacutea solar tendraacute un mayor
almacenamiento energeacutetico y retraso teacutermico en los muros aplicado con PCM y
obtener una segmentacioacuten de los datos climaacuteticos por zonas para investigar el
comportamiento energeacutetico en aplicaciones pasivas
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
del consumo energeacutetico en calefaccioacuten y refrigeracioacuten para mantener la vivienda
en zona confort (Wegertseder 2015)
Tradicionalmente el consumo de energiacutea se reduce mediante el uso de
aislamiento teacutermico de alta calidad en la envolvente de un edificio para reducir la
transferencia de calor entre el interior y exterior (Zhou D Tian Y Qu Y amp
Chen Y K 2016) Un aumento en la eficiencia de los sistemas de calefaccioacuten
ventilacioacuten y aire acondicionado (HVAC) tambieacuten ha sido responsable de una
reduccioacuten en el consumo de energiacutea sin embargo las mejoras en la eficiencia
energeacutetica no deben limitarse a estos enfoques
Un estudio de investigacioacuten describioacute que el aumento de la inercia teacutermica
del edificio reduce la cantidad de energiacutea utilizada para calefaccioacuten y refrigeracioacuten
(Ling H Chen C Qin H Wei S Lin J Li N) ya que reduce las
fluctuaciones en la temperatura interior ayudando a mantener el espacio interno
dentro del rango de confort teacutermico y reduciendo la necesidad de utilizar sistemas
de aire acondicionado
El almacenamiento de energiacutea se puede implementar mediante calor
sensible aumentando y disminuyendo la temperatura de los recubrimientos de
edificios o mediante calor latente Con la inclusioacuten de materiales de cambio de
fase conduce a una mayor densidad de energiacutea teacutermica Los materiales de
cambio de fase estaacuten asociados con el almacenamiento de calor latente (LHS)
con su principal ventaja de tener una alta densidad de almacenamiento a
temperatura constante Por lo tanto los materiales de cambio de fase han
demostrado que su almacenamiento de energiacutea teacutermica latente se puede utilizar
para calentar y enfriar a sistemas de construccioacuten pasivos o activos (B Zalba J
Marin L Cabeza y H Mehling 2003)
Investigaciones maacutes recientes han estudiado sus propiedades fiacutesicas
quiacutemicas cineacuteticas y especialmente teacutermicas para seleccionar el material de
cambio de fase maacutes adecuado para la presente investigacioacuten (Ramiacuterez A
Santos A amp Gonzaacutelez N 2012)
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
14
Diego Sarabia Meacutendez
El intereacutes sostenido en comprender la importancia de los materiales de
cambio fase llevoacute a investigar el disentildeo del elemento constructivo con los PCM
incorporados para reducir la demanda energeacutetica de la vivienda en estudio y
contribuir a mejoras de condiciones de habitualidad Aquiacute se utilizoacute la
herramienta simulacioacuten Energy Plus para evaluar el rendimiento teacutermico de una
vivienda en estudio ubicada en la ciudad de Concepcioacuten de la regioacuten del Biacuteo-Biacuteo
Chile
En este estudio se demostroacute que es posible maximizar la eficiencia del
ahorro de energiacutea en sistemas activos de climatizacioacuten al optimizar el PCM
aplicado a las paredes exteriores Se identificoacute que los materiales de cambio de
fase son una contribucioacuten a la implementacioacuten del acondicionamiento pasivo
debido a su gran almacenamiento energeacutetico
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
CAPITULO I ENUNCIADO DE LA INVESTIGACIOacuteN
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
11 Planteamiento del problema
En la actualidad las necesidades energeacuteticas a nivel mundial han
aumentado de manera significativa por distintas razones Hoy en diacutea los edificios
consumen maacutes del 40 de la energiacutea primaria del mundo que son responsables
del 30 de las emisiones de gases de efecto invernadero (Thorpe 2011)
A nivel local el sector residencial es responsable de las altas demandas
energeacuteticas equivalente a 23 del consumo energeacutetico nivel paiacutes Del parque
habitacional existente en Chile 75 fue construido sin consideraciones teacutermicas
y de eficiencia energeacutetica dicha situacioacuten provoca que el usuario asuma el costo
del consumo energeacutetico para mantener la vivienda en zona confort (Wegertseder
2015)
Se estima que el sector de la construccioacuten es el responsable de generar
el 33 del total de emisiones de gases de efecto invernadero (MINVU 2018)
A traveacutes de un estudio realizado el antildeo 2019 por la Caacutemara Chilena de
la Construccioacuten sobre los usos de la energiacutea en el sector residencial declara que
el 53 del consumo total de la vivienda chilena es destinado a calefaccioacuten (CDT
2019)
Una forma eficiente de reducir el consumo de energiacutea para calefaccioacuten o
refrigeracioacuten en los espacios es aumentar la inercia teacutermica de un edificio De
esta manera las temperaturas interiores son menos sensibles a las variaciones
de la temperatura exterior y se requiere menos energiacutea para mantenerlas en el
rango de confort teacutermico Un edificio con una estructura de marco de concreto
tendraacute una mayor inercia teacutermica que un edificio con una estructura de marco de
acero o madera (Soares N Costa J J Gaspar A R amp Santos P 2013) Una
forma de aumentar la inercia teacutermica de un edificio es utilizar el almacenamiento
de calor latente (LHS) que es la energiacutea que almacena un material cuando sufre
un cambio de fase (Akeiber H Nejat P Majid M Z A Wahid M A
Jomehzadeh F Zeynali Famileh IZaki S A 2016)
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
El material de cambio de fase (PCM) es un tipo de material que
experimenta un cambio de fase en este caso de liacutequido a soacutelido a una
temperatura dentro del rango de confort teacutermico Este tipo de material tiene la
capacidad de almacenar grandes cantidades de energiacutea en comparacioacuten con los
materiales de construccioacuten tradicionales que solo almacenan calor sensible Por
ejemplo una pared que contiene PCM con 25 mm de espesor almacena
aproximadamente la misma energiacutea que una pared de concreto con 420 mm de
espesor (Al-Saadi S N amp Zhai Z 2013) Los PCM tienen un gran potencial
para aumentar la inercia teacutermica de un edificio debido a su gran LHS por lo tanto
son especialmente uacutetiles en edificios de construccioacuten livianas en seco como
estructuras reticulares en madera o acero galvanizados (Marin P Saffari M de
Gracia A Zhu X Farid M M Cabeza L F amp Ushak S 2016) Esto permite
que el edificio tenga menor peso un aacuterea uacutetil mayor y auacuten mantenga una alta
inercia teacutermica
Cuando los PCM cambian su estado de liacutequido a soacutelido liberan calor
latente y cuando cambian de soacutelido a liacutequido absorben calor latente Cuando este
proceso ocurre a una temperatura entre 19-27 degC el material contribuye a
aumentar el confort teacutermico porque ayuda a mantener la temperatura interna
dentro de este rango Durante el diacutea cuando hay demasiadas ganancias de
radiacioacuten solar este material cambia su fase de soacutelido a liacutequido absorbiendo
calor y evitando un aumento significativo de la temperatura interior Por la noche
cuando la temperatura exterior baja el material cambia su fase de liacutequido a
soacutelido liberando calor y evitando una gran disipacioacuten de energiacutea en el interior de
la vivienda (Jamil H Alam M Sanjayan J amp Wilson J 2017)
Durante el verano puede ocurrir un sobrecalentamiento en el muro y
hacer que se use un PCM que se derrita a altas temperaturas (alrededor de
26 degC) ya que evitaraacute que la temperatura de una habitacioacuten elevaacutendose por
encima del rango de confort teacutermico Si el objetivo es la estabilizacioacuten de la
temperatura interior en la zona de confort un PCM que se derrita a 23 degC deberiacutea
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
ser la mejor opcioacuten En el invierno puede ser necesario evitar que la temperatura
de una habitacioacuten baje por debajo del rango de confort teacutermico y en este caso
se recomienda un PCM que solidifique alrededor de 21 degC (Soares N Gaspar
A R Santos P amp Costa J 2014)
Esta tecnologiacutea no solo tiene el potencial de ahorrar cantidades
considerables de energiacutea y emisiones de CO2 sino que tambieacuten se puede utilizar
para aprovechar los precios pico de electricidad utilizando las unidades de aire
acondicionado cuando hay una menor demanda en la red eleacutectrica Por ejemplo
en invierno la unidad de aire acondicionado (AC) podriacutea funcionar durante la
noche produciendo calor que seriacutea absorbido por el tablero PCM y luego liberado
por eacutel durante el diacutea cuando los precios de la electricidad son mucho maacutes altos
(Devaux P amp Farid M 2017) Esto tambieacuten como la ventaja de evitar el ruido y
las corrientes de aire causadas por las unidades de CA durante las horas de
trabajo de una oficina
Aunque esta tecnologiacutea tiene un gran potencial en almacenar energiacutea
con respecto a otros materiales existe el problema de la baja transferencia de
calor porque estos materiales generalmente tienen baja conductividad teacutermica lo
que hace que la absorcioacuten y liberacioacuten de calor por parte del PCM sea mucho
maacutes difiacutecil (Fan L amp Khodadadi J M 2011)
Para aprovechar la gran capacidad de almacenamiento de calor latente
la temperatura de una zona debe estar cerca de la temperatura de cambio de
fase de lo contrario un PCM solo almacena calor sensible que es insignificante
en comparacioacuten al calor latente (Chwieduk 2013)
Investigadores concluyen sobre acondicionamiento teacutermico en
envolventes de viviendas utilizando materiales de cambio de fase que la
implementacioacuten adecuada de los PCM en una edificacioacuten puede un 35 reducir
el consumo energeacutetico y por lo tanto es posible usar equipos de
acondicionamiento teacutermico de menor potencia e incluso prescindir de ellos (Bello
R E Muntildeoz M M Vasco C 2015)
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
En el desarrollo de aplicaciones para los PCM un investigador disentildeoacute un
muro con material de cambio de fase y para probar su funcionamiento utilizoacute dos
habitaciones ideacutenticas En la primera habitacioacuten los muros teniacutean un enlucido de
yeso normal y en la segunda habitacioacuten el muro poseiacutea una placa de yeso
revestido con micro encapsulacioacuten de PCM (50 butil estearato y 48 palmitato
de butilo) Resultoacute que la habitacioacuten con material cambio de fase una reduccioacuten
energeacutetica de 22 (Scalat S Banu D Hawes D Paris J Haghighata F
Feldman D 1996)
Los investigadores a nivel mundial han creado estrategias para
solucionar el consumo energeacutetico En Chile auacuten no se analiza en forma
sistemaacutetica considerando que seriacutea de gran ayuda para disminuir el consumo
energeacutetico residencial
Por todo lo anteriormente mencionado se establece que esta
investigacioacuten estaraacute orientada al estudio de materiales con cambio de fase
simulando su comportamiento teacutermico de una vivienda en estudio ubicada en la
ciudad de Concepcioacuten de la regioacuten del Biacuteo-Biacuteo utilizando el software Energy Plus
12 Preguntas de investigacioacuten
iquestEs posible disminuir la demanda energeacutetica de una vivienda en estudio
incorporando materiales con cambio de fase
iquestQueacute material PCM es conveniente utilizar en los muros de la vivienda en
estudio
iquestQueacute comportamiento tendraacuten los PCM en la simulacioacuten
13 Hipoacutetesis
Se puede mejorar la habitabilidad y reducir un 30 la demanda energeacutetica
de una vivienda en estudio en la ciudad de Concepcioacuten mejorando el
almacenamiento teacutermico de sus muros incorporando material con cambio de fase
(PCM)
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
14 Objetivos
141 Objetivo general
Proponer una metodologiacutea de evaluacioacuten en funcioacuten de la realidad local
que permitiraacute analizar la potencialidad en aplicar los materiales cambio de fase
en las construcciones chilenas contribuyendo a mejorar las condiciones de
habitabilidad
142 Objetivos especiacuteficos
Identificar materiales con cambio de fase (PCM) utilizados como estrategia
de calefaccioacuten pasiva en edificacioacuten Con la validacioacuten de todos los
reglamentos en Chile
Definir el sistema constructivo del muro exterior en cuanto a la ubicacioacuten
del PCM
Definir materiales con cambio de fase en relacioacuten de sus propiedades
teacutermicas para realizar simulacioacuten energeacutetica
Definir metodologiacutea de caacutelculo y estimar ahorros energeacuteticos para la zona
en funcioacuten del material base
Obtener simulaciones de demanda energeacutetica para la vivienda en estudio
con y sin materiales de cambio de fase incorporados en sus muros
mediante el software Energy Plus
Optimizar el disentildeo de la solucioacuten constructiva con PCM en relacioacuten a los
datos de la zonificacioacuten
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
CAPITULO II MARCO TEOacuteRICO
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
21 Marco Teoacuterico
A continuacioacuten se nombraraacute conceptos esenciales que aborda la
investigacioacuten tales como aislacioacuten teacutermica conductividad teacutermica confort
teacutermico y Inercia teacutermica
Cabe de destacar que la inercia teacutermica juega un papel importante en los
sistemas de calefaccioacuten pasiva ya que el retraso teacutermico puede ser mayor o
menor dependiendo el espesor y materialidad
La inercia teacutermica permite ir liberando el calor acumulado en los elementos
compuestos por materiales pesados en la vivienda de manera tal que durante
la noche cuando la temperatura desciende esta baja sea amortiguada por el calor
cedido
En el verano la envolvente se encuentra expuesta a la radiacioacuten solar y al
soleamiento por lo tanto debe ser capaz de almacenar el calor obtenido desde
el exterior y asiacute evitar que la temperatura en el interior del recinto sea elevada
durante el diacutea generando una peacuterdida de confort (CCHC 2010)
22 Materiales con cambio de fase (PCM)
Un PCM es una sustancia capaz de almacenar y liberar energiacutea del medio
que le rodea manteniendo la temperatura constante durante la transferencia de
calor Este intercambio de energiacutea se denomina calor latente de un material y se
produce durante el cambio de fase del mismo El intereacutes de estos materiales es
que durante el cambio de fase la temperatura media se mantiene constante
mientras el material absorbe o libera energiacutea durante la etapa de fusioacuten o
solidificacioacuten del material Esto supone una mayor densidad energeacutetica en este
proceso respecto a un intercambio por calor sensible
En una investigacioacuten sobre PCM afirma que estos mediante su calor
latente de fusioacuten almacenan de 5 a 14 veces maacutes calor por unidad de volumen
que materiales por almacenamiento de calor sensible como el agua albantildeileriacutea
o rocas entre otras (Sharma 2009)
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
Para la investigacioacuten se estudioacute materiales cambio fase de estado liacutequido-
solido ya que aunque la cantidad de energiacutea almacenada es inferior que entre
otros cambios de estado (solido-gas) la variacioacuten de volumen del estado es
menor
221 Funcionamiento
La mejor forma para explicar el funcionamiento de estos materiales es
estudiando el proceso de cambio de fase del agua en estado liacutequido el agua va
aumentando su temperatura progresivamente hasta alcanzar los 100degC Una vez
alcanza esta temperatura empieza su cambio de estado en el cual absorberaacute
calor pero mantendraacute una temperatura constante de 100degC hasta que finalice su
cambio de fase y todo el liacutequido se haya convertido en vapor De manera inversa
ocurre cuando la temperatura del agua disminuye hasta alcanzar los 0degC En este
caso el agua empezaraacute a liberar calor y durante este proceso mantendraacute su
temperatura constante en 0degC hasta que complete su solidificacioacuten y todo el
liacutequido se haya convertido en hielo (B Zalba J Marin L Cabeza y H Mehling
2003)
En la Figura 21 se observa coacutemo la temperatura se mantiene constante
en 0degC formando una recta horizontal durante su cambio de fase y posteriormente
en 100degC hasta que se convierte en vapor
Figura 21 Diagrama de proceso de cambio de fase Hielo ndash Vapor
Fuente (B Zalba J Marin L Cabeza y H Mehling 2003)
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
Del mismo modo actuacutean los PCM cada uno tiene su propia temperatura
de cambio de fase y gracias a las variaciones de temperatura entre el diacutea y la
noche ocurren los ciclos de fusioacuten y solidificacioacuten de estos materiales resultando
en la absorcioacuten maacutexima de energiacutea durante el diacutea cuando las temperaturas
suben y la disipacioacuten de eacutesta en la noche cuando la temperatura ambiente baja
La energiacutea utilizada para cambiar el estado del material dado que la temperatura
de cambio de fase es aproximada a la temperatura ambiente de confort deseada
daraacute lugar a un clima interior maacutes estable y coacutemodo asiacute como tambieacuten reduciraacute
las cargas de enfriamiento y calefaccioacuten en horas pico especialmente en
aquellas edificaciones con baja masa teacutermica (S E Kalnaes and B P Jelle
2015)
222 Propiedades
A continuacioacuten se describiraacuten las propiedades maacutes relevantes que definen un
material de cambio de fase (Oroacute 2012)
a) Propiedades Termofisica
Temperatura de fusioacuten (Tf) en el rango de funcionamiento seguacuten la
aplicacioacuten
Alto calor latente de fusioacuten (ΔHf) por unidad de volumen
Alto calor especiacutefico para proporcionar calor sensible adicional
significativo
Alta conductividad teacutermica en fase soacutelida y liacutequida (buena transferencia de
calor)
Baja variacioacuten de volumen en el cambio de fase y baja presioacuten de vapor a
la temperatura de funcionamiento
Fusioacuten congruente del material de cambio de fase con cada ciclo de
solidificacioacutenfusioacuten con el miacutenimo sub-enfriamiento
Cambio de fase ciclo continuo con termino de vida uacutetil
Alta densidad
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
b) Propiedades quiacutemicas
Ciclo de solidificacioacutenfusioacuten reversible y completo
Baja degradacioacuten despueacutes de un elevado nuacutemero de ciclos de
fusioacutensolidificacioacuten
No corrosivo para los materiales encapsulados
No toacutexico no inflamable y no explosivo
c) Econoacutemicas
Abundante y disponible
Rentable en relacioacuten al ahorro energeacutetico y costos del material
Faacutecil reciclaje y tratamiento quiacutemicos
223 Almacenamiento de energiacutea teacutermica
La necesidad de almacenamiento energeacutetico y de buscar formas de
acondicionamiento pasivo es lo que inspira a la investigacioacuten a centrarse en el
almacenamiento teacutermico Es fundamental para el desarrollo del paiacutes disminuir la
demanda energeacutetica sin sacrificar el confort (PRIEN 2002)
En esta seccioacuten de la investigacioacuten se daraacute a conocer las formas de
almacenamiento teacutermico existentes y dando eacutenfasis al almacenamiento
energeacutetico por calor latente donde pertenecen los materiales de cambio fase
(PCM)
El equilibrio termodinaacutemico de los PCM se debe principalmente a los
intercambios de calor con el entorno externo El tiempo para que el PCM alcance
el nuevo equilibrio termodinaacutemico es el tiempo necesario para que el calor sea
intercambiado con el espacio a climatizar Los paraacutemetros baacutesicos de los
materiales de cambio de fase incluyen seguacuten ecuacioacuten (1)
bull Capacidad caloriacutefica [J kg]
119876 = int 119862119901119904 119889119905 + 119862119898 + int 119862119901119897 119889119905 cong 119862119901119904(119879119898 minus 1198791) + 119862119898 + 1198792
119879119898
119879119898
1198791
119862119901119897(1198792 minus 1198791)
Ec 1
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
Donde 119862119901119904 o 119862119901119897 Calor especiacutefico soacutelido y liacutequido kJ(kg times K) 119862119898 Calor
de transformacioacuten de fase (fusioacuten) kJ(kg times K) Tm - temperatura de transicioacuten
de fase (fusioacuten) T1 T2 rango de temperatura de funcionamiento de operacioacuten
224 Clasificacioacuten
Actualmente existe un gran nuacutemero de materiales cambio fase que han
sido investigados debido a que poseen una temperatura y un alto calor latente
de fusioacuten dentro del rango operacional deseado sin embargo exceptuando por
esta caracteriacutestica la mayoriacutea de estos materiales no satisfacen los otros
criterios necesarios para un medio de almacenamiento adecuado (Sharma
2009)
Aquellos que siacute responden a estas prestaciones y se encuentran disponibles en
el mercado pueden ser clasificados en tres grandes grupos orgaacutenicos
inorgaacutenicos y euteacutecticos (V Tyagi amp D Buddhi 2007)
Figura 22 Clasificacioacuten de los Materiales Cambio Fase
Fuente Elaboracioacuten Propia
Materiales Cambio Fase
Organico
Parafina Acido Graso
Inorganico
Sal Hidratada
Metalico
Eutectico
Inorganico -Inorganico
Inorganico -Organico
Organico -Organico
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
Los materiales de cambio de fase liquido-solido maacutes comunes estaacuten en el
rango de temperaturas entre 20degC y 80 degC son las ceras de parafina sales
hidratadas mezclas euteacutecticas y aacutecidos grasos
Las ceras de parafina estaacuten disponibles en el mercado pero su calor
latente (hasta 200 kJkg) es solo la mitad del de las sales hidratadas
Las sales hidratadas son maacutes econoacutemicas que las ceras de parafina y
tambieacuten estaacuten disponibles en el mercado pero tienen algunas desventajas como
las bajas temperaturas de fusioacuten o la corrosioacuten en contacto con metales
En las mezclas euteacutecticas intervienen dos componentes con punto de
fusioacuten (solidificacioacuten) maacutes bajo que el que poseen los compuestos
individualmente Esto hace que la mezcla alcance el punto de congelacioacuten maacutes
bajo posible y ambos se solidifiquen a esa temperatura euteacutectica (Ramiacuterez A
Santos A amp Gonzaacutelez N 2012)
Los PCM tienen una significativa capacidad de almacenar calor por medio
del cambio de estado pero es necesario tener en cuenta los paraacutemetros de
disentildeo del problema y las ventajas y desventajas de los diferentes tipos de
materiales para determinar cuaacuteles son los maacutes apropiados de utilizar en la
construccioacuten dependiendo de sus diferentes caracteriacutesticas y maacutes importante
aun dependiendo de si su temperatura de cambio de fase se acerca a la
temperatura de confort
2241 PCM inorgaacutenicos sales hidratadas
Seguacuten varios investigadores estos materiales fueron muy estudiados en
las primeras etapas de investigacioacuten de PCM por su bajo costo y su capacidad
de almacenamiento de grandes cantidades de calor por unidad de volumen en
comparacioacuten con las sustancias orgaacutenicas que las convierten en candidatos
idoacuteneos para sus muacuteltiples aplicaciones en el aacutembito del almacenamiento de
energiacutea
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
La buacutesqueda de sustancias con temperatura de cambio de fase proacutexima a
la temperatura ambiente no ha encontrado buenos candidatos dentro de este
grupo y las investigaciones se han dirigido maacutes hacia las sustancias orgaacutenicas
Tabla 21 Ventajas e inconvenientes de los PCM inorgaacutenicos
Ventajas Inconvenientes
Econoacutemicos Problemas en el encapsulado y preparacioacuten
del material
Elevada densidad de
almacenamiento teacutermico
Para un uso prolongado necesita de aditivos
Elevada conductividad teacutermica Son susceptibles de sub enfriamiento
(Inestables)
Temperatura de cambio de fase
claramente definida
Debido a la inestabilidad teacutermica y histeacuteresis
se debe aplicar aditivos para evitar una fusioacuten
incongruente en su aplicacioacuten donde puede
reducir su capacidad de almacenamiento de
calor latente
No inflamables Potencialmente corrosivos con algunos
metales
Reciclables y biodegradables
Fuente (Ramiacuterez A Santos A amp Gonzaacutelez N 2012)
Las sales hidratadas tienen algunas propiedades atractivas como los
elevados valores de calor latente no son inflamables y su elevado contenido
hiacutedrico significa que son baratos y muy disponibles Sin embargo sus
caracteriacutesticas de inadaptacioacuten (corrosioacuten inestabilidad dificultades de re-
solidificacioacuten y tendencia al sub enfriamiento) han implicado la realizacioacuten de
estudios hasta la actualidad para poder manejar estas desventajas y realizar su
correcta aplicacioacuten Necesitan por tanto un contenedor para utilizarlos como
aditivos de otros materiales (Ramiacuterez A Santos A amp Gonzaacutelez N 2012)
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
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Diego Sarabia Meacutendez
Tabla 22 Temperatura de fusioacuten de algunas sales hidratadas
PCM Temperatura
fusioacuten (ordmC)
Q fusioacuten (kJkg)
KFmiddot4H2O 185 231
Na2SO4middot10H2O 324 254
CaCl2middot6H2O 24ndash29 192
CaCl2middot6H2O+Nucleador+MgCl2middot6H2O 23 -
Fuente (Ramiacuterez A Santos A amp Gonzaacutelez N 2012)
En la tabla 21 se muestran algunas ventajas y desventajas de los PCM
inorgaacutenicos y en la tabla 22 se muestran las temperaturas de fusioacuten de las sales
hidratadas que permiten determinar cuaacuteles son las oacuteptimas para utilizar en
aislacioacuten (las cuales su temperatura de fusioacuten se acerca a la temperatura de
confort)
2242 PCM orgaacutenicos parafinas aacutecidos grasos y mezclas orgaacutenicas
Los PCM orgaacutenicos poseen unas caracteriacutesticas que los hacen muy uacutetiles
en su aplicacioacuten en determinados elementos constructivos para almacenamiento
de calor latente
Investigadores determinaron que son maacutes estables quiacutemicamente que las
sustancias inorgaacutenicas funden y solidifican convenientemente sin necesidad de
agentes nucleadores y no sufren sub-enfriamiento o histeacuteresis (Gawron 1981)
No obstante se ha demostrado que son maacutes compatibles y adecuados para la
adsorcioacuten en varios materiales constructivos Aunque el costo inicial en materia
prima de un PCM orgaacutenico es superior al de un inorgaacutenico su costo final es
competitivo
Sin embargo estos materiales tienen otras desventajas la maacutes
significativa es que son inflamables y que emiten gases nocivos durante su
combustioacuten Otros problemas menos extendidos son las reacciones con los
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
productos de la hidratacioacuten en hormigoacuten (hidroacutexido de calcio) envejecimiento por
oxidacioacuten y cambios de olor
Muchos de estos inconvenientes se han eliminado Se ha visto que el
envejecimiento por oxidacioacuten de los PCM puede inhibirse utilizando un oxidante
adecuado Se estaacute investigando tambieacuten en la emisioacuten de gases y la
inflamabilidad de algunos de los PCM maacutes efectivos para establecer un radio de
ignicioacuten Tambieacuten se estaacute investigando sobre la compatibilidad de los PCM con
el hormigoacuten (Ramiacuterez A Santos A amp Gonzaacutelez N 2012)
En la tabla 23 se muestran algunas ventajas y desventajas de los PCM
orgaacutenicos y en la tabla 24 y 25 se muestran las temperaturas de fusioacuten de las
parafinas y aacutecidos grasos que permiten determinar cuaacuteles son las oacuteptimas para
utilizar en aislacioacuten (las cuales su temperatura de fusioacuten se acerca a la
temperatura de confort)
Tabla 23 Ventajas e inconvenientes de los PCM orgaacutenicos
Ventajas Inconvenientes
Faacuteciles de usar Calor latente y entalpiacutea maacutes bajos
Estabilidad teacutermica y quiacutemica Baja conductividad teacutermica
No sufren subenfriamiento Amplio rango de fusioacuten
No necesitan agente nucleador para
solidificar
Inflamables
No corrosivos Reaccioacuten potencial con hormigoacuten
Reciclables y ecoloacutegicamente inocuos Alto costo
Compatibilidad con materiales de construccioacuten convencionales
Fuente (Ramiacuterez A Santos A amp Gonzaacutelez N 2012)
Dentro de los PCM orgaacutenicos se pueden encontrar tres grupos de
sustancias diferentes parafinas aacutecidos grasos y mezclas orgaacutenicas A
continuacioacuten se presenta una pequentildea descripcioacuten de estos (Ramiacuterez A
Santos A amp Gonzaacutelez N 2012)
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
22421 Parafinas
Las parafinas son esencialmente un alcalino solido refinado Muestran dos
rangos de enfriamiento un rango maacutes estrecho para un breve periodo de tiempo
y un rango maacutes extenso que ocurre durante un periodo maacutes amplio Ambos se
interpretan como una transicioacuten de liacutequido a amorfo-soacutelida y amorfo-solida a
cristalino-solida respectivamente Parte del calor latente total de fusioacuten se
almacena en la sustancia durante cada una de estas transiciones
Tabla 24 Temperatura de fusioacuten de algunas parafinas
PCM Temperatura fusioacuten (ordmC) Q fusioacuten (kJkg)
Hexadecano 18 236
Heptadecano 22 214
Octadecano 28 244
Parafina 20ndash60 200
RT25 25 147
Fuente (Ramiacuterez A Santos A amp Gonzaacutelez N 2012)
22422 Aacutecidos Grasos
Los aacutecidos grasos derivados de productos animales y vegetales estaacuten
constituidos por una larga cadena alifaacutetica maacutes de 12 carbonos Su cadena
alquiacutelica puede ser saturada o insaturada
En general muestran excelentes caracteriacutesticas teacutermicas (punto de fusioacuten
y congelacioacuten) El rango de temperatura de refrigeracioacuten es grande y no se
produce sub enfriamiento aunque en algunos casos se han detectado Estos
materiales sin embargo tienen elevado costo pudieacutendose utilizar en dispositivos
especiales de almacenamiento de calor o frio
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
Tabla 25 Temperatura de fusioacuten de algunos aacutecidos grasos
PCM Temperatura fusioacuten (ordmC) Q fusioacuten (kJkg)
Caacuteprico 315 158
Laacuteurico 42-44 179
Pentadecano 52 159
Miriacutestico 54 190
Palmiacutetico 63 183
Esteaacuterico 70 196
Eritrol 116-118 126
Fuente (Ramiacuterez A Santos A amp Gonzaacutelez N 2012)
2243 Mezclas euteacutecticas
Tambieacuten existen las mezclas euteacutecticas que puede ser la mezcla de 2
PCM orgaacutenicos de 2 PCM inorgaacutenicos o de un PCM Orgaacutenico maacutes un PCM
inorgaacutenico A continuacioacuten en la tabla 26 se muestra la clasificacioacuten de los PCM
Tabla 26 Clasificacioacuten de los PCMs
Tipo PCM Composicioacuten
Orgaacutenicos Compuestos de parafina
Compuestos sin parafina
Inorgaacutenicos Sales hidratadas
Metaacutelicos
Euteacutecticos Orgaacutenico-Orgaacutenico
Orgaacutenico-Inorgaacutenico
Inorgaacutenico-Inorgaacutenico
Fuente (JuarezD Balart R Ferrandiz S amp Garcia D 2012)
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
33
Diego Sarabia Meacutendez
23 Criterios de seleccioacuten de los Materiales con Cambio se Fase
Es muy importante la correcta seleccioacuten del material de cambio de fase
dependiendo del campo en que se desee utilizar por lo que a continuacioacuten se
presentaran algunos criterios para seleccionar un PCM correctamente Estos
criterios son propuestos seguacuten una investigacioacuten realizada en Espantildea (Ramiacuterez
A Santos A amp Gonzaacutelez N 2012)
a) Fiacutesicas
bull La densidad del liacutequido y del solido deben ser similares y preferiblemente
elevadas para poder almacenar mayor cantidad de calor por unidad de volumen
bull Variacioacuten de volumen (en el cambio de fase) bajo
b) Cineacuteticas
bull Evitar el problema de histeacuteresis subenfriamiento o retardo al inicio de la
solidificacioacuten como ocurre en los PCM inorgaacutenicos que se produce al no ceder
el calor latente de un PCM pese a que su temperatura sea inferior al punto de
congelacioacuten
c) Quiacutemicas
bull El proceso de cambio de fase debe ser totalmente reversible y solo dependiente
de la temperatura
bull Ser quiacutemicamente estables en el tiempo evitando su descomposicioacuten y
contaminacioacuten
bull No presentar segregacioacuten de fases
bull Ser compatibles con los materiales de encapsulado y otros con los que esteacute en
contacto estabilidad quiacutemica para evitar oxidacioacuten descomposicioacuten teacutermica
hidroacutelisis corrosioacuten y otras reacciones
bull No inflamables y resistentes al fuego
d) Teacutermicas
bull La temperatura de cambio de fase debe ser adecuada a cada aplicacioacuten
particular
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
bull Presentar una temperatura de fusioacuten definida o al menos el cambio de fase
debe producirse en un valor discreto o en un pequentildeo intervalo de temperaturas
bull Poseer una gran capacidad de almacenamiento de calor sensible (calor
especiacutefico) en estado soacutelido y liacutequido y elevada entalpia de cambio de fase calor
latente
bull Poseer una alta conductividad teacutermica para facilitar la transferencia de calor
e) Econoacutemicas
bull Estar disponible en grandes cantidades a bajo costo para que sean viables
teacutecnica y econoacutemicamente
bull Tener un razonable ciclo de vida uacutetil de acuerdo con su costo
24 Vida uacutetil del material cambio fase
El tiempo de vida uacutetil de un PCM viene determinado por la cantidad de
ciclos teacutermicos que es capaz de soportar un material manteniendo su estabilidad
teacutermica El PCM es sometido a repetidos ciclos de calentamiento y enfriamiento
en los que el material cambia de fase de soacutelido a liacutequido y posteriormente vuelve
a cambiar de fase de liacutequido a soacutelido Se miden sus propiedades teacutermicas en
temperaturas fusioacuten y entalpias obteniendo el nuacutemero de ciclos en los que las
propiedades teacutermicas del material no variacutean de forma considerable
Tras realizar una exhaustiva buacutesqueda existe muy poca bibliografiacutea
acerca de la degradacioacuten teacutermica de los PCM y la determinacioacuten de su tiempo de
uso especialmente en aplicaciones para edificacioacuten donde la vida uacutetil del material
debe ser elevada
Aunque es complicado conocer la vida uacutetil real de estos materiales y en
queacute momento dejan de conservar sus propiedades adecuadas para las
aplicaciones a las que se destina existen algunos artiacuteculos basados en
experimentos realizados en laboratorios de materiales sometidos a ciclos
teacutermicos acelerados para determinar si en un nuacutemero de ciclos el material
mantiene sus propiedades teacutermicas intactas (temperaturas fusioacuten y entalpias)
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
35
Diego Sarabia Meacutendez
Algunos materiales son sometidos a 50 100 1000 o hasta 5000 ciclos teacutermicos
Pero el problema es determinar si ese maacuteximo de 5000 ciclos es suficiente para
asegurar que un material seguiraacute cumpliendo su funcioacuten Hasta el momento no
se ha encontrado en la literatura ninguna investigacioacuten donde se ensaye el
material un nuacutemero suficiente de ciclos hasta la peacuterdida de sus propiedades
teacutermicas para poder conocer su vida uacutetil o el nuacutemero de ciclos que es capaz de
soportar el PCM hasta su degradacioacuten
Por todo lo anteriormente expuesto en esta investigacioacuten se ha
considerado la vida uacutetil del material como el mayor nuacutemero de ciclos soportados
por un material obtenidos a partir de los estudios realizados por diferentes autores
en la literatura o fabricante a pesar de no haber llegado a degradarse en su
totalidad
25 Aplicacioacuten en la construccioacuten
El sector de la construccioacuten es el que maacutes beneficios puede obtener de la
utilizacioacuten de materiales con cambio de fase (PCM) ya que tiene importantes
beneficios en ahorro energeacutetico reducir la contaminacioacuten de CO2 y optimizar la
inercia teacutermica en las edificaciones con el objetivo de mejorar la habitabilidad de
los usuarios
La temperatura interior en un edificio depende de las condiciones
exteriores interiores y de las caracteriacutesticas teacutermicas de la edificacioacuten como la
capacidad teacutermica de los materiales que tiene un efecto como el mostrado en la
figura 23 el cual no considera un sistema activo en su anaacutelisis
Figura 23 Estabilizacioacuten de la temperatura interior por el efecto inercia teacutermica
Fuente (M Kenisarin amp K Mahkamov 2007)
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
Actualmente la mayoriacutea de los materiales de construccioacuten son livianos lo
que trae como consecuencia una baja capacidad caloriacutefica La introduccioacuten de
materiales de cambio de fase puede aumentar la inercia teacutermica del edificio sin
aumentar mucho su peso Sin embargo es necesario disponer de aacuterea de
transferencia de calor suficiente para liberar esa energiacutea (Dincer I amp Rosen M
2002) y es imprescindible que se pueda descargar el material por medio de la
ventilacioacuten durante la noche para prevenir el sobrecalentamiento en los
elementos con PCM (M Kenisarin amp K Mahkamov 2007)
La Figura 24 muestra una comparacioacuten entre el espesor de material
requerido para obtener la misma capacidad teacutermica que la obtenida con un
centiacutemetro de PCM
Figura 24 Espesor requerido de distintos materiales Vs Energiacutea teacutermica
Fuente (M Kenisarin amp K Mahkamov 2007)
Las caracteriacutesticas requeridas para el empleo de materiales de cambio de
fase en la edificacioacuten son
0 5 10 15 20 25 30 35 40
Yeso
Madera
Hormigon
Ceramico
Ladrillo
PCM
Espesor (cm)
H (
kJK
g)
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
Temperatura de cambio de fase entre 12 y 25ordmC
Alta estabilidad a los ciclos de cambio de fases debido a la larga vida uacutetil
de los edificios
No corrosivos para reducir el riesgo de fuga de su contenedor y evitar
dantildeos en la estructura del edificio
Considerar la inflamabilidad al fuego y dar soluciones constructivas de
acuerdo a la normativa
Econoacutemicamente viable en funcioacuten de los costos de implementacioacuten y
ahorro energeacuteticos
Una limitacioacuten de los PCM para su aplicacioacuten en la construccioacuten es la
estacionalidad pues el PCM debe ser seleccionado para aplicaciones en
calefaccioacuten pasiva Esta limitacioacuten reduce los beneficios teacutermicos el ahorro
energeacutetico y su viabilidad econoacutemica Investigadores estudiaron un concepto de
doble capa de PCM para que funcionara durante todo el antildeo (A Pasupathy L
Athanasius R Velraj amp RV Seeniraj 2008)
26 Encapsulacioacuten
Uno de los criterios que ha limitado el uso generalizado de los PCM es la
incompatibilidad entre estos materiales y sus contenedores afectando su
estabilidad a largo plazo degradado sus propiedades y provocando la corrosioacuten
de sus recipientes de embalaje Como respuesta a estos inconvenientes han
surgido diferentes teacutecnicas de encapsulacioacuten de los PCM las cuales ofrecen
unas ventajas significativas tales como
Aumento del aacuterea de transferencia de calor
Reduccioacuten de la reactividad hacia el ambiente exterior
Control de los cambios en el volumen eacutestos ocurren dentro de la capsula
No hay absorcioacuten de humedad
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
Los meacutetodos de encapsulacioacuten clasificados de acuerdo a su tamantildeo
pueden ser de dos tipos micro y macro encapsulados (Lane 1986)
261 Microcaacutepsulas
Una investigacioacuten menciona que la micro encapsulacioacuten podriacutea definirse
como el proceso de rodear o envolver una sustancia en otra sustancia a escala
muy reducida produciendo caacutepsulas que van desde 1 μm a 1000 μm de diaacutemetro
Los tres estados de la materia (soacutelidos liacutequidos y gases) pueden ser micro
encapsulado
El material de la membrana exterior debe ser compatible con el PCM y a
su vez ser capaz de hacer frente a la tensioacuten mecaacutenica sobre las paredes del
recipiente provocada por las variaciones de volumen durante el cambio de fase
(S E Kalnaeligs amp B P Jelle 2015)
Por lo general los PCM micro-encapsulados se encuentran
comercialmente disponibles en dos formatos dispersioacuten fluida donde las
caacutepsulas son dispersadas en agua o en polvo en mezclas en seco
La figura 25 muestra en teacuterminos practico la conformacioacuten de la
envolvente de poliacutemero en una cera PCM dimensionando el tamantildeo en ellas
Figura 25 Microcaacutepsulas
Fuente (S E Kalnaes and B P Jelle 2015)
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
262 Macrocaacutepsulas
La macro-encapsulacioacuten hace referencia a PCM encapsulados en
cualquier tipo de recipiente tal como tubos esferas o paneles que pueden ser
incorporados en materiales de construccioacuten o que actuacutean como intercambiadores
de calor por siacute mismos El tamantildeo de estos contenedores es por lo general maacutes
de 1 cm3 almacenando desde varios mililitros hasta varios litros La tecnologiacutea
de macro encapsulacioacuten emplea un proceso de encapsulacioacuten de doble capa
creando una caacutepsula con una configuracioacuten en forma de matriz La principal
ventaja de los envases plaacutesticos es la disponibilidad en el mercado y la facilidad
de producirlos en una gran variedad de formas y con pocas restricciones
geomeacutetricas Ademaacutes son compatibles con la mayoriacutea de PCM incluyendo las
sales hidratadas por lo general no presentan degradacioacuten aunque algunos
materiales orgaacutenicos pueden llegar a suavizarlos (S E Kalnaes and B P Jelle
2015)
El PCM se encuentra confinado por la encapsulacioacuten evitaraacute cambios
volumeacutetricos importantes lo que evita varios riesgos y garantiza la integridad del
componente en el que se insertan las caacutepsulas La barrera polimeacuterica puede ser
de otros materiales por ejemplo como aluminio ya que mejora la compatibilidad
con otros materiales de construccioacuten y evita la corrosioacuten Este tipo de aplicacioacuten
es de faacutecil manejo una clara ventaja de este proceso en relacioacuten a los meacutetodos
de impregnacioacuten e inmersioacuten del iacutetem anterior
Figura 26 Caacutepsulas de macro PCM (Contenedor plano Esfera Placas de
barra doble y placas de aluminio)
Fuente (S E Kalnaeligs amp B P Jelle 2015)
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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CAPITULO III MEacuteTODOS Y METODOLOGIacuteA
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
En este estudio la evaluacioacuten se centra en el anaacutelisis de optimizacioacuten de
la aplicacioacuten PCM a los muros exteriores y dimensionamiento del rendimiento
teacutermico de una vivienda en estudio
Los modelos generados en el software Energy Plus se ingresoacute valores de
los sistemas constructivos de la vivienda en estudio condiciones climaacuteticas
caracterizacioacuten PCM en muros exteriores y caracterizacioacuten macro encapsulacioacuten
de acuerdo con las directrices (DOE 2016) se explica en las siguientes secciones
del capiacutetulo
31 Herramienta de simulacioacuten de energiacutea
Para evaluar los PCM de comportamiento teacutermico variable de la vivienda
en estudio con y sin PCM se utilizoacute el software EnergyPlus v 87
En teacuterminos generales el software puede evaluar una variedad de caacutelculos
destacados como los caacutelculos de puentes teacutermicos HVAC integrado y
simulaciones de carga de construccioacuten confort teacutermico y materiales con
conductividad teacutermica variable como el PCM (DB Crawley LK Lawrie FC
Winkelmann WF Buhl YJ Huang amp CO Pedersen 2001) Ademaacutes hay
muchas opciones para la conveccioacuten de la superficie interior y exterior
algoritmos infiltracioacuten avanzada e ventilacioacuten energiacutea desarrollada costos del
ciclo de vida algoritmos avanzados de confort teacutermico como como la calidad del
aire interior y el confort teacutermico para los ocupantes (DB Crawley JW Hand M
Kummert amp BT Griffith 2008)
Para analizar el comportamiento teacutermico variable de los PCM en estudio
se utilizoacute el algoritmo de diferencia finita de conduccioacuten (CondFD) Este algoritmo
modela la transferencia de calor en presencia de PCM y junto con la ecuacioacuten (2)
discretiza la envolvente del edificio en varios nodos para resolver numeacutericamente
la transferencia de calor en el software se puede escoger ecuaciones por un
esquema totalmente impliacutecito y el Crank-Nicolson que es semi-impliacutecito (KO
Lee 2016)
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
En esta investigacioacuten se utiliza un esquema Crank-Nicolson para simular
PCM para un material homogeacuteneo con espaciado uniforme de nodos como se
muestra en la ecuacioacuten (2) (3) y (4) extraiacutedo del manual del software
EnergyPlus (DOE 2016)
119862119901120588∆119909119879119894
119895+1minus 119879119894
119895
∆119905= (119896119908
119879119894+1119895+1
minus 119879119894119895+1
∆119909+ 119896119864
119879119894minus1119895+1
minus 119879119894119895+1
∆119909+ 119896119908
119879119894+1119895
minus 119879119894119895
∆119909+ 119896119864
119879119894minus1119895
minus 119879119894119895
∆119909)
Ec 2
∆119909 = radic119888120572∆119905 Ec 3
Donde Cp y ρ son el calor especiacutefico y la densidad del material Δ119909 es el
espesor de capa de diferencia finita Δ119905 es el paso de tiempo 119879 es la temperatura
de un nodo 119894 119894 + 1 y 119894 minus 1 son los nodos adyacentes al interior y exterior
respectivamente de una capa de material 119895 y 119895 + 1 son los pasos de tiempo
anterior y nuevo 119896119908 y 119896119864 representan las conductividades teacutermicas 119896119908 =
119896119894+1119895+1
+119896119894119895+1
2 y 119896119864 =
119896119894minus1119895+1
+119896119894119895+1
2 120572 es la difusividad teacutermica del material y 119888 es la
constante de discretizacioacuten del espacio que puede definir el usuario (3 es el valor
predeterminado para esta constante seguacuten manual)
Esta investigacioacuten considera el uso de paneles PCM por lo tanto el
algoritmo CondFD ecuacioacuten (2) debe combinarse con una funcioacuten de temperatura
de entalpiacutea ℎ = ℎ (119879) estos datos en la funcioacuten se obtendraacuten de acuerdo al estudio
bibliograacutefico El algoritmo usa esta funcioacuten para actualizar el calor especiacutefico
equivalente (119862119901) en cada paso de tiempo como se muestra en la ecuacioacuten (4)
lowast 119862119901(119879) =ℎ119894
119895minus ℎ119894
119895minus1
119879119894119895
minus 119879119894119895minus1
Ec 4
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
32 Descripcioacuten Vivienda en estudio
En este apartado se define los sistemas constructivos de la vivienda en
estudio con y sin PCM para obtener la liacutenea base de comparacioacuten
En la figura 31 se muestra el disentildeo de vivienda en estudio de 56 m2 y
los espacios interiores con su distribucioacuten de aacutereas veacutease en la tabla 31 esta
vivienda se configuro de acuerdo a las soluciones constructivas acreditadas
(MINVU Soluciones constructivas acreditadas al fuego teacutermico y acuacutestico
2020)
Las caracteriacutesticas de la envolvente de la vivienda en estudio cuentan con
la configuracioacuten miacutenima de la reglamentacioacuten teacutermica que actualmente rige en
Chile estaacute establecida en la Ordenanza General de Urbanismo y Construcciones
en su artiacuteculo 4110 y en una zonificacioacuten del paiacutes en zonas teacutermicas seguacuten
grados-diacutea especificados en el manual de aislamiento teacutermico (MINVU Manual
de aplicacioacuten y reglamentacoacuten teacutermica 2017) Los complejos de techumbres
muros perimetrales y pisos inferiores ventilados entendidos como elementos que
constituyen la envolvente de la vivienda deberaacuten tener una transmitancia teacutermica
ldquoUrdquo igual o menor o una resistencia teacutermica total ldquoRtrdquo igual o superior a la
sentildealada para la zona que le corresponda al proyecto de arquitectura de acuerdo
con los planos de zonificacioacuten teacutermica corresponde a zona 4 y se verifica lo
anteriormente expuesto en la tabla 32 cabe sentildealar que los valores de
transmitancia teacutermica se extrajeron de acuerdo a las ecuaciones de balance
teacutermico que estaacute incorporado en el software
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
Figura 31 Descripcioacuten Vivienda en estudio
Elaboracioacuten Propia - Software Revit
A continuacioacuten se muestra las dimensiones que tiene cada espacio de las
dos torres del edificio en las siguientes tablas
Tabla 31 Resumen superficies de los distintos espacios vivienda en estudio
Torre A
Lugar Superficie (119950120784) Altura (m)
Dormitorio Primario 8 24
Dormitorio Secundario 7 24
Cocina 9 24
Living - Comedor 28 24
Bantildeo 3 24
TOTAL 56
Fuente Elaboracioacuten Propia
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Tabla 32 Cumplimiento de la envolvente elementos constructivos de la vivienda en estudio
Elemento Materiales (exterior al
interior)
Espesor (m)
Transmitencia teacutermica Valor U (Wm2K)
Transmitencia teacutermica exigida Valor U (Wm2K)
Muro Exterior
Siding
Fibrocemento
0006
0672
17
Plancha OSB 0009
Entramado
madera pino 2x3
0075
Lana de vidrio 005
Caacutemara no
ventilada
(Ubicacioacuten del
PCM)
0026
Placa yeso cartoacuten 0015
Muro Interior
Placa yeso cartoacuten 0015
0677
17
Entramado
madera pino 2x2
0075
Lana de vidrio 005
Placa yeso cartoacuten 0015
Techumbre
Plancha Zincalum 0035
0316
038
Fieltro 0005
Plancha OSB 0009
Entramado madera pino 2x2
0075
Lana de Vidrio 005
Placa yeso cartoacuten 00125
Piso en contacto
con el terreno
Radier Hormigoacuten 02 17 No aplica
Fuente Elaboracioacuten Propia
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Para integrar el PCM con la vivienda en estudio se configuro las
propiedades teacutecnicas y la ubicacioacuten optima interna del PCM al panel externo
constructivo donde se administroacute en el modelo de simulacioacuten veacutease en la Figura
313 y figura 38
321 Meacutetodo de zona en software EnergyPlus
El modelo de construccioacuten creado se utilizoacute el meacutetodo de zona donde
todas las zonas fueron modeladas con informacioacuten completa en construccioacuten
ocupacioacuten equipamiento y HVAC
Al iniciar el modelo se elige la ubicacioacuten y el tipo de anaacutelisis Despueacutes se
debe ingresar un nombre al sitio y a cada zona Ademaacutes se puede asignar varios
edificios bajo el mismo sitio cada uno con su propio nombre Una vez definido lo
anterior se genera bloque que generalmente representa un piso o nivel planta
para este estudio se genera bloque de acuerdo a la figura 32
Figura 32 Modelo de zona en casa de estudio
Fuente Elaboracioacuten Propia
La fase de zonificacioacuten separa las diferentes zonas teacutermicas Para el
modelo cada suite se considera una zona El meacutetodo de zona permite asignar
diferentes horarios operativos a cada zona Cada una de las paredes de cada
bloque se llama superficie y ventanas o puertas como sub-superficies o
aberturas La vivienda se muestra parcialmente en la Figura 33
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
Figura 33 Zona y sub-superficie de vivienda en estudio
Fuente Elaboracioacuten Propia
El software da la posibilidad de elegir los materiales utilizados en la
construccioacuten de la vivienda a traveacutes de sus bibliotecas de materiales o pueden
ser creados por el usuario y los materiales elegidos son asignado a las partes
especificadas de la vivienda Estos pasos se repitieron en todos los pisos para
completar todo el modelo de construccioacuten
33 Datos meteoroloacutegicos
El modelo de simulacioacuten se mantuvo en base a los datos meteoroloacutegicos
con formato EPW en Energy plus se definioacute la ubicacioacuten Concepcioacuten Chile Con
el objetivo de evaluar el rendimiento teacutermico y analizar la optimizacioacuten de la
posicioacuten del PCM al muro exterior de la vivienda en estudio Las configuraciones
de los datos meteoroloacutegicos se muestran en la Figura 34
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Figura 34 Configuracioacuten datos meteoroloacutegico
Fuente Elaboracioacuten Propia
34 Jornadas de ocupacioacuten
Para realizar la simulacioacuten energeacutetica se deben definir una serie de
planillas de ocupacioacuten de los recintos uso de luminaria y equipos En estas
planillas de ocupacioacuten se define el ciclo horario para todos los diacuteas del antildeo
Esto se realiza con la finalidad de establecer los periodos en los que
influyen los distintos tipos de cargas internas en la vivienda
A continuacioacuten se adjunta a modo de ejemplo la figura 35 en la cual se
puede ver el menuacute de configuracioacuten de las plantillas de ocupacioacuten
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
Figura 35 Planilla de uso horario de un recinto
Fuente Elaboracioacuten propia
35 Configuracioacuten envolvente por elemento y sistemas de climatizacioacuten
Definidos las zonas y multi zonas del modelo se deberaacute configurar los
sistemas constructivos en sus propiedades teacutermicas y dimensiones El software
automaacuteticamente genera el caacutelculo de transmitancia teacutermica anaacutelisis de
condensacioacuten y dimensioacuten en imagen por elemento Veacutease en la figura 36
Para configurar el sistema de climatizacioacuten primero se debe definir los
rangos de temperatura confort teacutermico en la pestantildea de actividades del software
Veacutease figura 37 A continuacioacuten se define el tipo de sistema de climatizacioacuten
definiendo las horas de operacioacuten tipo combustible y rendimiento del sistema
como se muestra en la figura 38
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Figura 36 Planilla configuracioacuten envolvente por elemento
Fuente Elaboracioacuten propia
Figura 37 Planilla configuracioacuten rango de temperatura confort teacutermico
Fuente Elaboracioacuten propia
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Figura 38 Planilla configuracioacuten del tipo de sistema de climatizacioacuten
Fuente Elaboracioacuten propia
36 Caracterizacioacuten PCM
En este estudio se utilizoacute placas PCM tipo orgaacutenico de parafina tiene una
relacioacuten de mezcla de n-octadecano a n-heptadecano seleccionado debido a la
eficiencia energeacutetica con temperatura cercana al confort teacutermico (12ndash26 deg C)
basado en ISO 13790 (KO Lee 2016)
Seguacuten el estado de arte existente se definioacute los tres materiales de cambio
de fase los cuales son candidatos idoacuteneos para utilizar en esta investigacioacuten
Estos materiales han sido estudiados por diversos autores con el fin de obtener
sus propiedades termofiacutesicas y usarlas en la edificacioacuten La razoacuten de utilizar estos
materiales es debido a sus propiedades teacutermicas y el que su temperatura de
fusioacuten es cercana a la temperatura de confort
Ademaacutes la vida uacutetil del PCM es de 13 antildeos seguacuten su ciclo de cambio
fase considerando 365 cambios fase anual el cual se justifica con los costos de
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
inversioacuten al implementar esta tecnologiacutea dependiendo de la magnitud del flujo
de calor el cuaacutel se quiere operar
Las especificaciones teacutecnicas de las placas PCM y el comportamiento de
temperaturas y entalpias de operacioacuten se describen en la tabla 33 las cuales se
vinculan con el algoritmo CondFD de la ecuacioacuten (2) para evaluar su rendimiento
energeacutetico en la vivienda en estudio
361 Seleccioacuten de Materiales Cambio Fase
Tabla 33 Especificaciones teacutecnicas de PCM a utilizar
Caracteriacutesticas RT18HC
Valores Unidades Grafica entalpia y Temperatura
Temperatura de Fusioacuten
18
degC
Almacenamiento de calor
260 [kJkg]
Capacidad calor especifico
2 [kJkgK]
Densidad solido (a los 15degC)
088 [kgl]
Densidad solido (a los 25degC)
077 [kgl]
Conductividad teacutermica
(Ambas fases)
02 [W(mK)]
Expansioacuten de Volumen
125
Maacutexima temperatura operacioacuten
50 degC
Ciclo Cambio fase
5000 -
Caracteriacutesticas RT21HC
Valores Unidades Grafica entalpia y Temperatura
Temperatura de Fusioacuten
21
degC
Almacenamiento de calor
155 [kJkg]
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
53
Diego Sarabia Meacutendez
Capacidad calor especifico
2 [kJkgK]
Densidad solido (a los 15degC)
088 [kgl]
Densidad solido (a los 25degC)
077 [kgl]
Conductividad teacutermica
(Ambas fases)
02 [W(mK)]
Expansioacuten de Volumen
12
Maacutexima temperatura operacioacuten
45 degC
Ciclo Cambio fase
5000 -
Caracteriacutesticas RT22HC
Valores Unidades Grafica entalpia y Temperatura
Temperatura de Fusioacuten
22
degC
Almacenamiento de calor
190 [kJkg]
Capacidad calor especifico
2 [kJkgK]
Densidad solido (a los 15degC)
076 [kgl]
Densidad solido (a los 25degC)
070 [kgl]
Conductividad teacutermica
(Ambas fases)
02 [W(mK)]
Expansioacuten de Volumen
125
Maacutexima temperatura operacioacuten
50 degC
Ciclo Cambio fase
5000 -
Fuente (Rubitherm 2020)
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
54
Diego Sarabia Meacutendez
362 Configuracioacuten del PCM en EnergyPlus
De acuerdo al estudio bibliograacutefico de los materiales cambio fase para
ingresar los datos al software se debe definir las cantidades de temperatura de
operacioacuten identificar el punto de fusioacuten en las graacuteficas de entalpia y temperatura
de la tabla 33 conductividad teacutermica calor especifico densidades y espesor en
el elemento constructivo con el fin de determinar el flujo de calor de operacioacuten
de acuerdo al balance termodinaacutemico de la ecuacioacuten (2) A continuacioacuten se
adjunta a modo de ejemplo la figura 39 en la cual se puede ver el menuacute de
configuracioacuten
Figura 39 Configuracioacuten del PCM en el software
Fuente Elaboracioacuten Propia
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
55
Diego Sarabia Meacutendez
363 Cotizacioacuten PCM RT21
La inversioacuten total del material cambio fase es de $1106679
correspondiente a 160 kg con transporte incluido Se observa que el costo de
transporte afecta considerablemente en su valor (Alemania)
Se realizoacute cotizacioacuten del material RT21 en la empresa alemana Rubitherm
se presenta en la figura 310
Figura 310 Cotizacioacuten del material RT21
Fuente (Rubitherm 2020)
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
56
Diego Sarabia Meacutendez
37 Caracterizacioacuten Macro encapsulacioacuten
En esta seccioacuten la placa de macro encapsulacioacuten utilizada para el PCM
es de materialidad de aluminio veacutease figura 311 esto aumenta la transferencia
de calor en los PCM Son dos placas que estaacuten unidas entre siacute Se unen en dos
puntos centrados y se pegan en sus marcos Pueden ser utilizados para PCM
(orgaacutenico - inorgaacutenico) Por lo tanto se puede ofrecer un rango de temperatura
para una variedad de aplicaciones El grosor depende del volumen de llenado y
por lo tanto de la capacidad de almacenamiento Para el estudio se seleccionoacute
el modelo CSM105 Rubitherm el cual su espesor es de 15 mm y puede
almacenar 2 Kg de PCM por placa
Figura 311 Modulo Almacenamiento Macro encapsulacioacuten de aluminio
Fuente (Rubitherm 2020)
371 Cotizacioacuten Macro encapsulacioacuten
La inversioacuten total de la Macro encapsulacioacuten de aluminio modelo CSM105
Rubitherm es de $ 4326306 correspondiente a 150 unidades con transporte
incluido Se observa que el costo de transporte afecta considerablemente en su
valor (Alemania) Se realizoacute cotizacioacuten de los elementos de Macro encapsulacioacuten
de aluminio modelo CSM105 Rubitherm se presenta en la figura 312
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
57
Diego Sarabia Meacutendez
Figura 312 Cotizacioacuten Macro encapsulacioacuten
Fuente (Rubitherm 2020)
38 Validacioacuten muro constructivo con PCM
De acuerdo a los estudios del estado de arte y conocimientos teacutecnicos se
validoacute el sistema constructivo propuesto del muro exterior en el cumplimiento de
resistencia al fuego de acuerdo al cataacutelogo de soluciones constructivas del
MINVU y de la Ordenanza General de Urbanismo y Construcciones (OGUC)
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
58
Diego Sarabia Meacutendez
381 Cumplimiento de la OGUC y Resistencia al fuego
Dentro de las exigencias a cumplir por la OGUC se tiene la resistencia
al fuego en elementos constructivos seguacuten el tipo de recinto Para el caso del
muro de la vivienda en estudio se hace el siguiente anaacutelisis
De la tabla Ndeg34 seguacuten ldquodestino del edificiordquo ldquosuperficie edificada (m2)rdquo y
ldquonuacutemero de pisosrdquo se obtiene una clasificacioacuten (a b c y d) seguacuten corresponda
En el caso de estudio se tiene una vivienda de 1 piso por lo que el destino
es ldquoHabitacionalrdquo y por nuacutemero de pisos se establece una clasificacioacuten ldquodrdquo
Tabla 34 Clasificacioacuten de los edificios seguacuten su destino superficie edificada y
nuacutemero de pisos Destino del Edificio Superficie Edificada (m2) Nuacutemeros de Pisos
1 2 3 4 5 6 7 o mas
Habitacional Cualquiera d d c c b a a
Hoteles Sobre 5000 c b a a a a a
Sobre 1500 y hasta 5000 c b b b a a a
Sobre 500 y hasta 1500 c c b b a a a
Hasta 500 d c b b a a a
Oficinas Sobre 1500 c c b b b a a
Sobre 500 y hasta 1500 c c c b b b a
Hasta 500 d c c b b b a
Museos Sobre 1500 c c b b b a a
Sobre 500 y hasta 1500 c c c b b b a
Hasta 500 d c c b b b a
Clinica Hospitales y Lab Sobre 1000 c b b a a a a
Hasta 1000 c c b b a a a
Policlinicos Sobre 400 c c b b b b a
Hasta 400 d c c b b b a
Restaurante Sobre 500 b a a a a a a
Sobre 250 y hasta 500 c b b a a a a
Hasta 250 d c c b b a a
Locales Comerciales Sobre 500 c b b a a a a
Sobre 200 y hasta 500 c c b b a a
Hasta 200 d c b b b a a
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
59
Diego Sarabia Meacutendez
Bibliotecas Sobre 1500 b b a a a a a
Sobre 500 y hasta 1500 b b b a a a a
Sobre 250 y hasta 500 c b b b a a a
Hasta 250 d c b b a a a
Automotoras Cualquiera d c c b b b a
Edificio Estacionamiento Cualquiera d c c c b b a
Fuente (MINVU Soluciones constructivas acreditadas al fuego teacutermico y
acuacutestico 2020)
Para lograr obtener la resistencia al fuego necesaria se debe utilizar
ademaacutes la tabla 34 la cual utilizo como criterios la clasificacioacuten obtenida de la
tabla 35 y el tipo de elemento constructivo
Tabla 35 Resistencia al fuego para diferentes elementos de construccioacuten Elementos de Construccioacuten
Tipo (1) (2) (3) (4) (5) (6) (7) (8) (9)
A F-180 F-120 F-120 F-120 F-120 F-30 F-60 F-120 F-60
B F-150 F-120 F-90 F-90 F-90 F-15 F-30 F-90 F-60
C F-120 F-90 F-60 F-60 F-60 - F-15 F-60 F-30
D F-120 F-60 F-60 F-60 F-30 - - F-30 F-15
Fuente (MINVU Soluciones constructivas acreditadas al fuego teacutermico y
acuacutestico 2020) Simbologiacutea
Elementos verticales
(1) Muros cortafuego
(2) Muros zona vertical de seguridad y caja de escalera
(3) Muros caja de ascensores
(4) Muros divisorios entre unidades (hasta la cubierta)
(5) Elementos soportantes verticales
(6) Muros no soportantes y tabiques
Elementos verticales y horizontales
(7) Escaleras
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
60
Diego Sarabia Meacutendez
Elementos Horizontales
(8) Elementos soportantes horizontales
(9) Techumbre incluido cielo falso
Para el caso de los muros que dan al exterior de la vivienda en estudio se
considera en la categoriacutea (5) y seguacuten la clasificacioacuten obtenida de la tabla 35 (d)
se tiene un grado de resistencia al fuego F-30
Para cumplir con esta exigencia se utiliza una solucioacuten del cataacutelogo de
soluciones constructivas del MINVU la cual se presenta a continuacioacuten
Tabla 36 Tabique perimetral estructura madera en vivienda en estudio
A233014 Tabique Estructura Madera Volcanita 15 mm RF Placa
OSB 9 mm Siding Volcan 6 mm Aislanglas R122 50 mm
Elemento estaacute formado por una estructura de madera hecha con listones de pino
radiata de 2rdquo x 3rdquo en bruto Consta de 5 pie-derechos distanciados entre ejes
cada 06 m dos cadenetas distanciadas entre ejes cada 08 m una solera inferior
y otra superior Esta estructuracioacuten esta forrada por una de sus caras con una
plancha de yeso-cartoacuten ldquoVolcanita RFrdquo de 15 mm de espesor La otra cara esta
forrada con una placa de madera OSB de 9 mm de espesor y como terminacioacuten
en esta cara lleva unas fajas horizontales de fibrocemento ldquoSiding Volcanrdquo tipo
tinglado de 190 mm de ancho y 6 mm de espesor Todo el conjunto esta
atornillado a la estructura de madera Esta conformacioacuten deja espacios libres en
el interior del panel estaacuten rellenos con una manta de lana de vidrio tipo rollo libre
R122 de 50 mm de espesor de densidad media aparente de 14 kgm3 Las
dimensiones para el ensayo fue 22 de ancho x 24 de alto y 105 mm de espesor
INSTITUCION Ndeg Informe Lab Fecha Resistencia Inscripcioacuten
Volcaacuten SA 374721 IDIEM 26-06-96 F-30 2015
Fuente (MINVU Soluciones constructivas acreditadas al fuego teacutermico y
acuacutestico 2020)
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
61
Diego Sarabia Meacutendez
Otra de las exigencias por parte de la OGUC es el cumplimiento de la
reglamentacioacuten teacutermica mostrado en la tabla 32 para esto se compara las
transmitancias teacutermicas exigidas con las envolventes de los elementos
constructivos de la vivienda en estudio Para el caso del muro donde se
incorporaraacute el PCM se seleccionoacute de acuerdo al listado de soluciones
constructivas del MINVU para validar la resistencia al fuego En la figura 313 se
visualiza las componentes de la envolvente del muro con PCM
Figura 313 Sistema Constructivo Muro exterior con PCM en vivienda estudio
Fuente Elaboracioacuten Propia
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
CAPITULO IV RESULTADOS Y DISCUSIOacuteN
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
63
Diego Sarabia Meacutendez
En este segmento se evaluoacute el comportamiento energeacutetico de los
materiales cambio fase mediante el software Energy Plus Los materiales cambio
fase se produce dentro de placas de macro encapsulacioacuten de aluminio al interior
de los muros exteriores
Por lo tanto se observoacute el aporte energeacutetico de los materiales cambio fase
en un sistema activo de calefaccioacuten optimizando los sistemas constructivos en
la vivienda en estudio y dar respuesta a su aplicacioacuten en acondicionamiento
ambiental
41 Comportamiento Energeacuteticos de los materiales cambio fase
A continuacioacuten se comparoacute el comportamiento energeacutetico de dos sistemas
de climatizacioacuten con el aporte energeacutetico pasivo de los distintos materiales
cambio fase en una vivienda en estudio
411 Rendimiento energeacutetico de calefaccioacuten con y sin PCM
Para evaluar el comportamiento energeacutetico se definioacute la temperatura de
fusioacuten de los PCM en el rango de 18 a 22degC el aporte energeacutetico de los PCM
ayudo a mantener constante la temperatura confort de 21degC en la vivienda y
reducir los consumos energeacuteticos del sistema activo para este estudio se
escogioacute dos sistemas de climatizacioacuten caso 1 calefaccioacuten a lentildea con un η=07 y
caso 2 Climatizacioacuten por bomba de calor η=27 esta seleccioacuten se debe a que el
sistema de calefaccioacuten a lentildea es el maacutes usado en la zona genera una alta
contaminacioacuten ambiental por su combustioacuten en material particulado es el
combustible maacutes econoacutemico por unidad de energiacutea y su inversioacuten es accesible
en cambio los equipos de bomba calor tienen un mayor rendimiento energeacutetico
tiene menos impacto al medio ambiente y su inversioacuten es costosa
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
La figura 41 (a) muestra las potencias maacuteximas de disentildeo en
climatizacioacuten comparando la liacutenea base con la implementacioacuten de materiales
PCM en vivienda en estudio ubicado en Concepcioacuten Chile A traveacutes de este
anaacutelisis se identificoacute una disminucioacuten en su potencia de disentildeo de 319 (de
263 kW a un 179 kW) con respecto al caso base
Figura 41 (a) Potencia maacutexima disentildeo con y sin PCM en vivienda estudio
Fuente Elaboracioacuten Propia
En la figura 41 (b) y (c) se realizoacute la comparacioacuten de distintos tipos de
materiales PCM con un rango de temperatura de fusioacuten entre 18 degC a 22degC para
determinar cuaacutel es maacutes eficiente en funcioacuten de las variables de disentildeo
emplazamientos y propiedades teacutermicas
Para el primer caso se evaluoacute el sistema de calefaccioacuten a lentildea y el rol
clave de estos materiales PCM es reducir el consumo energeacutetico y el kgCO2
generado por la combustioacuten En los resultados se visualizoacute que el material cambio
fase optimo corresponde al PCM 22HC arrojando una reduccioacuten del consumo
energeacutetico de 341 (de 3694 kWh a un 2434 kWh) en comparacioacuten al caso base
CocinaDormitorioSecundario
DormitorioPrimario
Living-Comedor
Bantildeo
Sin PCM 03 037 047 129 02
Con PCM 017 027 033 087 015
0
02
04
06
08
1
12
14
Dem
ada
En
erge
tica
(k
W)
Potencia Maxima de Disentildeo
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
Para el segundo caso se evaluoacute un sistema de bomba de calor multisplit
al igual que en el caso anterior el material optimo corresponde al PCM 22HC se
observoacute una disminucioacuten de consumo energeacutetico de un 344 (de 688 kWh a un
451 kWh) en comparacioacuten al caso base
Para ambos casos se observoacute una notable reduccioacuten de los consumos
energeacuteticos en estacioacuten friacutea
Figura 41 (b) Caso 1 - Consumo energeacutetico en calefaccioacuten Lentildea con y sin
PCM en vivienda estudio
Fuente Elaboracioacuten Propia
Ene Feb Mar Abr May Jun Jul Ago Sept Oct Nov Dic
Sin PCM 75 79 138 267 477 604 626 498 408 271 147 104
PCM 18 37 34 73 188 424 579 602 440 347 185 85 60
PCM 21 31 27 64 167 397 547 570 405 313 161 71 53
PCM 22 13 11 39 138 354 506 528 357 275 130 49 34
0
200
400
600
800
1000
Co
nsu
mo
Co
mb
ust
ible
(k
Wh
)
Consumo Combustible Lentildea Mensual
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
66
Diego Sarabia Meacutendez
Figura 41 (c) Caso 2 - Consumo energeacutetico Bomba de calor con y sin PCM en
vivienda estudio
Fuente Elaboracioacuten Propia
Se identificoacute que la temperatura de fusioacuten maacutes baja de los PCM no es
viable en la optimizacioacuten del sistema pasivo en climatizacioacuten podriacutea ser explicado
por las variables temperatura exteriores dependiendo de las condiciones
climaacuteticas por su emplazamiento Por ejemplo de acuerdo con las cargas
maacuteximas de calefaccioacuten se debe a que la energiacutea en invierno aumento
estableciendo las temperaturas de confort teacutermico esta es una variable de
seleccioacuten del PCM que serviraacute para optimizar el disentildeo en funcioacuten del confort
teacutermico disminuyendo demanda energeacutetica perdidas caloriacuteficas y consumos
energeacuteticos de sistemas de calefaccioacuten activos
Seguacuten el estado de arte otro punto importante a comentar es tener en
cuenta que las curvas de entalpia y temperatura tanto para refrigeracioacuten y
calefaccioacuten deben ser lo maacutes cercana posible de lo contrario se produciriacutea una
Ene Feb Mar Abr May Jun Jul Ago Sept Oct Nov Dic
Sin PCM 14 15 26 50 89 112 116 92 78 50 27 19
PCM 18 7 6 14 35 79 107 112 82 64 34 16 11
PCM 21 57 5 12 31 74 101 106 75 58 30 13 10
PCM 22 23 2 72 256 66 936 976 662 511 24 9 63
0
20
40
60
80
100
120
Co
nsu
mo
Co
mb
ust
ible
(k
Wh
)Consumo Combustible Bomba de calor Mensual
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
67
Diego Sarabia Meacutendez
histeacuteresis o sub enfriamiento y afectariacutea considerablemente el rendimiento del
PCM en su aplicacioacuten
Para la implementacioacuten de sistemas activos sustentables en climatizacioacuten
se demuestra en el estudio que el aporte energeacutetico de los PCM es mantener la
temperatura constante dentro de los espacios interiores y ayudan tambieacuten a bajar
considerablemente los consumos energeacuteticos y es un aporte al medio ambiente
Para sistemas pasivos la eficiencia en los PCM en los muros exteriores
podriacutea incrementarse sugiriendo que haya acristalamiento a base de muros
cortina durante el diacutea lleva al PCM al proceso de cambio de fase de manera
estable en el tiempo debido a su almacenamiento teacutermico (F Ascione RF De
Masi F de Rossi S Ruggiero amp GP Vanoli 2016)
Ademaacutes la disminucioacuten de un 319 en potencia maacutexima de disentildeo para
equipos de climatizacioacuten arrojado en este estudio y un promedio de 33 en
reduccioacuten en consumo energeacutetico en los dos casos de climatizacioacuten propuestos
se puede inferir que los materiales cambio fase es capaz de contribuir a eficiencia
energeacutetica
412 Inversioacuten inicial y costos operativos en sistemas de calefaccioacuten con y sin PCM
Se hizo un anaacutelisis de los principales costos asociados a la adquisicioacuten de
los equipos y operacioacuten de eacutestos No se consideraraacute valor residual o de
salvamiento Para poder comparar la vida uacutetil a usar seraacute de 10 antildeos
Al obtener los valores de consumos energeacuteticos en las simulaciones de
los casos propuestos se visualiza una aproximacioacuten en demostrar el beneficio
econoacutemico que aporta los PCM a los sistemas activos Vease en figura 42
En el caso 1 sistema de calefaccioacuten a lentildea se observoacute una disminucioacuten
en los costos de operacioacuten anual de un 341 (de $88656 a un $58416)
($ 24 por kWh) (BES 2017) y en el caso 2 sistema de climatizacioacuten por bomba
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
68
Diego Sarabia Meacutendez
calor se observoacute una disminucioacuten en los costos de operacioacuten anual de un 344
(de $72928 a un $47795) ($ 106 por kWh) (BES 2017)
Figura 42 Inversioacuten inicial y costos operativos sistema climatizacioacuten con y sin
PCM en vivienda estudio
Fuente Elaboracioacuten Propia
42 Propuesta de aplicacioacuten PCM a caso base como sistema de actualizacioacuten
Seguacuten los resultados del comportamiento energeacutetico de la vivienda en
estudio con y sin PCM Se identificoacute un enfoque diferente e innovador para
sistemas pasivos de acondicionamiento ambiental o el aporte energeacutetico
significativo de los PCM a los sistemas activos para mantener su temperatura
constante en su operacioacuten
Una correcta ubicacioacuten del PCM a los muros exteriores de una vivienda en
estudio mostro significativamente un ahorro de energiacutea con respecto al caso
base esto se debe a la colocacioacuten del PCM en la particioacuten interna en los muros
exteriores emplazamiento de la vivienda tipo de encapsulacioacuten y orientacioacuten de
los muros con respecto al sol
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
Sin PCM PCM 22HC Inversion
Mil
es d
e p
eso
sInversion inicial y costos operativos en sistema
climatizacion
Caso 1 Sistema Calefaccion Lentildea Caso 2 Sistemas Bomba de Calor
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
69
Diego Sarabia Meacutendez
El tipo de encapsulacioacuten de acuerdo al panel constructivo mostro que debe
ser macro encapsulacioacuten con materialidad de aluminio para aumentar la
conductividad teacutermica de los materiales cambio fase que era una de sus
desventajas teacutecnicas
A traveacutes de este anaacutelisis se identificoacute que material de cambio de fase se
debe seleccionar de acuerdo a la aplicacioacuten pasiva en vivienda en estudio
considerando variables de seleccioacuten como cineacuteticas fiacutesicas quiacutemicas teacutermicas
y econoacutemicas
Finalmente se observoacute que es posible maximizar la eficiencia de la
energiacutea en mantener la temperatura constante en los espacios interiores con el
aporte energeacutetico de los sistemas pasivos cuando se usa materiales cambio fase
en los muros exteriores de la vivienda en estudio Ademaacutes el PCM con
temperatura de fusioacuten cercana a la temperatura confort logra un mayor
rendimiento energeacutetico seguacuten su emplazamiento y reduce considerablemente los
costos de operacioacuten de un sistema climatizacioacuten activo aportaacutendole energiacutea
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
70
Diego Sarabia Meacutendez
CONCLUSIONES
El trabajo reciente propone un anaacutelisis de optimizacioacuten del PCM a una
vivienda en estudio como una aplicacioacuten de actualizacioacuten a sistemas pasivos y
se evaluoacute el comportamiento energeacutetico de dos sistemas activos de climatizacioacuten
mediante el uso del software EnergyPlus
En este estudio se describe la seleccioacuten de materiales de cambio fase a
utilizar la encapsulacioacuten adecuada en base a la aplicacioacuten y propiedades de
disentildeo
En el anaacutelisis del comportamiento energeacutetico de la vivienda en estudio se
observoacute que el PCM adecuado seguacuten la temperatura de fusioacuten estaacute en el rango
de 18 a 22 degC cercano a la temperatura de confort teacutermico Para este estudio se
escogioacute el PCM 22HC ya que su comportamiento es ideal para la vivienda en
estudio arrojando un 319 (de 263 kW a un 179 kW) de reduccioacuten de
potencias maacuteximas de disentildeo en climatizacioacuten De acuerdo al PCM escogido se
analizoacute el comportamiento del consumo energeacutetico en dos sistemas de
climatizacioacuten Caso 1 Sistema calefaccioacuten a lentildea mostro una reduccioacuten del
consumo energeacutetico de 341 (de 3694 kWh a un 2434 kWh) Para el segundo
caso se evaluoacute un sistema de bomba de calor multisplit al igual que en el caso
anterior el material optimo corresponde al PCM 22HC se observa una
disminucioacuten de consumo energeacutetico de un 344 (de 688 kWh a un 451 kWh) en
comparacioacuten al caso base lo que implica una notable reduccioacuten de los consumos
energeacuteticos en la estacioacuten friacutea Ademaacutes junto con los valores de consumo
energeacutetico se evaluoacute los costos de operacioacuten anual arrojando una disminucioacuten
promedio de 34 debido al aporte de los PCM
En general estos resultados sostienen firmemente que es posible mejorar
la eficiencia del ahorro energeacutetico cuando los PCM se instala en los muros
exteriores maximizando los ahorros energeacuteticos Por lo tanto para lograr la
optimizacioacuten de la envolvente de la vivienda con aplicacioacuten PCM la temperatura
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
71
Diego Sarabia Meacutendez
de fusioacuten fue de 22 deg C y el macro encapsulamiento es de material de aluminio
mejorando su transmitancia teacutermica del flujo de calor en los paneles
constructivos dando como resultado una adecuada actualizacioacuten a la aplicacioacuten
y a la instalacioacuten de los PCM a la vivienda en estudio ubicada en Concepcioacuten
Chile
Los costos de implementacioacuten en la tecnologiacutea pasiva como los PCM tiene
un elevado valor debido al costo del transporte (Alemania) se podriacutea justificar
encargando por mayor estos insumos y aplicarlo a un lote de viviendas
Es importante aplicar el PCM optimizado considerando el enfoque y
variables de disentildeo como la condicioacuten climaacutetica temperatura de fusioacuten de PCM
encapsulamiento y irradiacioacuten solar
La implementacioacuten de esta tecnologiacutea demuestra que aporta en la
reduccioacuten de material particulado en zonas criacuteticas en contaminacioacuten y las
emisiones de CO2 aportando al medio ambiente
Se deberaacute tener en cuenta que las curvas de entalpia y temperatura de los
PCM tanto para refrigeracioacuten y calefaccioacuten deben ser lo maacutes cercana posible de
lo contrario se produciriacutea una histeacuteresis o subenfriamiento y afectariacutea
considerablemente el rendimiento del PCM en su aplicacioacuten
Como investigacioacuten adicional queda por explorar la optimizacioacuten de PCM
aplicado a paredes exteriores con persianas de acristalamiento o invernaderos
adosados al poseer mayor captacioacuten de energiacutea solar tendraacute un mayor
almacenamiento energeacutetico y retraso teacutermico en los muros aplicado con PCM y
obtener una segmentacioacuten de los datos climaacuteticos por zonas para investigar el
comportamiento energeacutetico en aplicaciones pasivas
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
72
Diego Sarabia Meacutendez
REFERENCIAS
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ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
El intereacutes sostenido en comprender la importancia de los materiales de
cambio fase llevoacute a investigar el disentildeo del elemento constructivo con los PCM
incorporados para reducir la demanda energeacutetica de la vivienda en estudio y
contribuir a mejoras de condiciones de habitualidad Aquiacute se utilizoacute la
herramienta simulacioacuten Energy Plus para evaluar el rendimiento teacutermico de una
vivienda en estudio ubicada en la ciudad de Concepcioacuten de la regioacuten del Biacuteo-Biacuteo
Chile
En este estudio se demostroacute que es posible maximizar la eficiencia del
ahorro de energiacutea en sistemas activos de climatizacioacuten al optimizar el PCM
aplicado a las paredes exteriores Se identificoacute que los materiales de cambio de
fase son una contribucioacuten a la implementacioacuten del acondicionamiento pasivo
debido a su gran almacenamiento energeacutetico
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
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CAPITULO I ENUNCIADO DE LA INVESTIGACIOacuteN
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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11 Planteamiento del problema
En la actualidad las necesidades energeacuteticas a nivel mundial han
aumentado de manera significativa por distintas razones Hoy en diacutea los edificios
consumen maacutes del 40 de la energiacutea primaria del mundo que son responsables
del 30 de las emisiones de gases de efecto invernadero (Thorpe 2011)
A nivel local el sector residencial es responsable de las altas demandas
energeacuteticas equivalente a 23 del consumo energeacutetico nivel paiacutes Del parque
habitacional existente en Chile 75 fue construido sin consideraciones teacutermicas
y de eficiencia energeacutetica dicha situacioacuten provoca que el usuario asuma el costo
del consumo energeacutetico para mantener la vivienda en zona confort (Wegertseder
2015)
Se estima que el sector de la construccioacuten es el responsable de generar
el 33 del total de emisiones de gases de efecto invernadero (MINVU 2018)
A traveacutes de un estudio realizado el antildeo 2019 por la Caacutemara Chilena de
la Construccioacuten sobre los usos de la energiacutea en el sector residencial declara que
el 53 del consumo total de la vivienda chilena es destinado a calefaccioacuten (CDT
2019)
Una forma eficiente de reducir el consumo de energiacutea para calefaccioacuten o
refrigeracioacuten en los espacios es aumentar la inercia teacutermica de un edificio De
esta manera las temperaturas interiores son menos sensibles a las variaciones
de la temperatura exterior y se requiere menos energiacutea para mantenerlas en el
rango de confort teacutermico Un edificio con una estructura de marco de concreto
tendraacute una mayor inercia teacutermica que un edificio con una estructura de marco de
acero o madera (Soares N Costa J J Gaspar A R amp Santos P 2013) Una
forma de aumentar la inercia teacutermica de un edificio es utilizar el almacenamiento
de calor latente (LHS) que es la energiacutea que almacena un material cuando sufre
un cambio de fase (Akeiber H Nejat P Majid M Z A Wahid M A
Jomehzadeh F Zeynali Famileh IZaki S A 2016)
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
El material de cambio de fase (PCM) es un tipo de material que
experimenta un cambio de fase en este caso de liacutequido a soacutelido a una
temperatura dentro del rango de confort teacutermico Este tipo de material tiene la
capacidad de almacenar grandes cantidades de energiacutea en comparacioacuten con los
materiales de construccioacuten tradicionales que solo almacenan calor sensible Por
ejemplo una pared que contiene PCM con 25 mm de espesor almacena
aproximadamente la misma energiacutea que una pared de concreto con 420 mm de
espesor (Al-Saadi S N amp Zhai Z 2013) Los PCM tienen un gran potencial
para aumentar la inercia teacutermica de un edificio debido a su gran LHS por lo tanto
son especialmente uacutetiles en edificios de construccioacuten livianas en seco como
estructuras reticulares en madera o acero galvanizados (Marin P Saffari M de
Gracia A Zhu X Farid M M Cabeza L F amp Ushak S 2016) Esto permite
que el edificio tenga menor peso un aacuterea uacutetil mayor y auacuten mantenga una alta
inercia teacutermica
Cuando los PCM cambian su estado de liacutequido a soacutelido liberan calor
latente y cuando cambian de soacutelido a liacutequido absorben calor latente Cuando este
proceso ocurre a una temperatura entre 19-27 degC el material contribuye a
aumentar el confort teacutermico porque ayuda a mantener la temperatura interna
dentro de este rango Durante el diacutea cuando hay demasiadas ganancias de
radiacioacuten solar este material cambia su fase de soacutelido a liacutequido absorbiendo
calor y evitando un aumento significativo de la temperatura interior Por la noche
cuando la temperatura exterior baja el material cambia su fase de liacutequido a
soacutelido liberando calor y evitando una gran disipacioacuten de energiacutea en el interior de
la vivienda (Jamil H Alam M Sanjayan J amp Wilson J 2017)
Durante el verano puede ocurrir un sobrecalentamiento en el muro y
hacer que se use un PCM que se derrita a altas temperaturas (alrededor de
26 degC) ya que evitaraacute que la temperatura de una habitacioacuten elevaacutendose por
encima del rango de confort teacutermico Si el objetivo es la estabilizacioacuten de la
temperatura interior en la zona de confort un PCM que se derrita a 23 degC deberiacutea
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
ser la mejor opcioacuten En el invierno puede ser necesario evitar que la temperatura
de una habitacioacuten baje por debajo del rango de confort teacutermico y en este caso
se recomienda un PCM que solidifique alrededor de 21 degC (Soares N Gaspar
A R Santos P amp Costa J 2014)
Esta tecnologiacutea no solo tiene el potencial de ahorrar cantidades
considerables de energiacutea y emisiones de CO2 sino que tambieacuten se puede utilizar
para aprovechar los precios pico de electricidad utilizando las unidades de aire
acondicionado cuando hay una menor demanda en la red eleacutectrica Por ejemplo
en invierno la unidad de aire acondicionado (AC) podriacutea funcionar durante la
noche produciendo calor que seriacutea absorbido por el tablero PCM y luego liberado
por eacutel durante el diacutea cuando los precios de la electricidad son mucho maacutes altos
(Devaux P amp Farid M 2017) Esto tambieacuten como la ventaja de evitar el ruido y
las corrientes de aire causadas por las unidades de CA durante las horas de
trabajo de una oficina
Aunque esta tecnologiacutea tiene un gran potencial en almacenar energiacutea
con respecto a otros materiales existe el problema de la baja transferencia de
calor porque estos materiales generalmente tienen baja conductividad teacutermica lo
que hace que la absorcioacuten y liberacioacuten de calor por parte del PCM sea mucho
maacutes difiacutecil (Fan L amp Khodadadi J M 2011)
Para aprovechar la gran capacidad de almacenamiento de calor latente
la temperatura de una zona debe estar cerca de la temperatura de cambio de
fase de lo contrario un PCM solo almacena calor sensible que es insignificante
en comparacioacuten al calor latente (Chwieduk 2013)
Investigadores concluyen sobre acondicionamiento teacutermico en
envolventes de viviendas utilizando materiales de cambio de fase que la
implementacioacuten adecuada de los PCM en una edificacioacuten puede un 35 reducir
el consumo energeacutetico y por lo tanto es posible usar equipos de
acondicionamiento teacutermico de menor potencia e incluso prescindir de ellos (Bello
R E Muntildeoz M M Vasco C 2015)
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
En el desarrollo de aplicaciones para los PCM un investigador disentildeoacute un
muro con material de cambio de fase y para probar su funcionamiento utilizoacute dos
habitaciones ideacutenticas En la primera habitacioacuten los muros teniacutean un enlucido de
yeso normal y en la segunda habitacioacuten el muro poseiacutea una placa de yeso
revestido con micro encapsulacioacuten de PCM (50 butil estearato y 48 palmitato
de butilo) Resultoacute que la habitacioacuten con material cambio de fase una reduccioacuten
energeacutetica de 22 (Scalat S Banu D Hawes D Paris J Haghighata F
Feldman D 1996)
Los investigadores a nivel mundial han creado estrategias para
solucionar el consumo energeacutetico En Chile auacuten no se analiza en forma
sistemaacutetica considerando que seriacutea de gran ayuda para disminuir el consumo
energeacutetico residencial
Por todo lo anteriormente mencionado se establece que esta
investigacioacuten estaraacute orientada al estudio de materiales con cambio de fase
simulando su comportamiento teacutermico de una vivienda en estudio ubicada en la
ciudad de Concepcioacuten de la regioacuten del Biacuteo-Biacuteo utilizando el software Energy Plus
12 Preguntas de investigacioacuten
iquestEs posible disminuir la demanda energeacutetica de una vivienda en estudio
incorporando materiales con cambio de fase
iquestQueacute material PCM es conveniente utilizar en los muros de la vivienda en
estudio
iquestQueacute comportamiento tendraacuten los PCM en la simulacioacuten
13 Hipoacutetesis
Se puede mejorar la habitabilidad y reducir un 30 la demanda energeacutetica
de una vivienda en estudio en la ciudad de Concepcioacuten mejorando el
almacenamiento teacutermico de sus muros incorporando material con cambio de fase
(PCM)
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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14 Objetivos
141 Objetivo general
Proponer una metodologiacutea de evaluacioacuten en funcioacuten de la realidad local
que permitiraacute analizar la potencialidad en aplicar los materiales cambio de fase
en las construcciones chilenas contribuyendo a mejorar las condiciones de
habitabilidad
142 Objetivos especiacuteficos
Identificar materiales con cambio de fase (PCM) utilizados como estrategia
de calefaccioacuten pasiva en edificacioacuten Con la validacioacuten de todos los
reglamentos en Chile
Definir el sistema constructivo del muro exterior en cuanto a la ubicacioacuten
del PCM
Definir materiales con cambio de fase en relacioacuten de sus propiedades
teacutermicas para realizar simulacioacuten energeacutetica
Definir metodologiacutea de caacutelculo y estimar ahorros energeacuteticos para la zona
en funcioacuten del material base
Obtener simulaciones de demanda energeacutetica para la vivienda en estudio
con y sin materiales de cambio de fase incorporados en sus muros
mediante el software Energy Plus
Optimizar el disentildeo de la solucioacuten constructiva con PCM en relacioacuten a los
datos de la zonificacioacuten
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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CAPITULO II MARCO TEOacuteRICO
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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21 Marco Teoacuterico
A continuacioacuten se nombraraacute conceptos esenciales que aborda la
investigacioacuten tales como aislacioacuten teacutermica conductividad teacutermica confort
teacutermico y Inercia teacutermica
Cabe de destacar que la inercia teacutermica juega un papel importante en los
sistemas de calefaccioacuten pasiva ya que el retraso teacutermico puede ser mayor o
menor dependiendo el espesor y materialidad
La inercia teacutermica permite ir liberando el calor acumulado en los elementos
compuestos por materiales pesados en la vivienda de manera tal que durante
la noche cuando la temperatura desciende esta baja sea amortiguada por el calor
cedido
En el verano la envolvente se encuentra expuesta a la radiacioacuten solar y al
soleamiento por lo tanto debe ser capaz de almacenar el calor obtenido desde
el exterior y asiacute evitar que la temperatura en el interior del recinto sea elevada
durante el diacutea generando una peacuterdida de confort (CCHC 2010)
22 Materiales con cambio de fase (PCM)
Un PCM es una sustancia capaz de almacenar y liberar energiacutea del medio
que le rodea manteniendo la temperatura constante durante la transferencia de
calor Este intercambio de energiacutea se denomina calor latente de un material y se
produce durante el cambio de fase del mismo El intereacutes de estos materiales es
que durante el cambio de fase la temperatura media se mantiene constante
mientras el material absorbe o libera energiacutea durante la etapa de fusioacuten o
solidificacioacuten del material Esto supone una mayor densidad energeacutetica en este
proceso respecto a un intercambio por calor sensible
En una investigacioacuten sobre PCM afirma que estos mediante su calor
latente de fusioacuten almacenan de 5 a 14 veces maacutes calor por unidad de volumen
que materiales por almacenamiento de calor sensible como el agua albantildeileriacutea
o rocas entre otras (Sharma 2009)
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
Para la investigacioacuten se estudioacute materiales cambio fase de estado liacutequido-
solido ya que aunque la cantidad de energiacutea almacenada es inferior que entre
otros cambios de estado (solido-gas) la variacioacuten de volumen del estado es
menor
221 Funcionamiento
La mejor forma para explicar el funcionamiento de estos materiales es
estudiando el proceso de cambio de fase del agua en estado liacutequido el agua va
aumentando su temperatura progresivamente hasta alcanzar los 100degC Una vez
alcanza esta temperatura empieza su cambio de estado en el cual absorberaacute
calor pero mantendraacute una temperatura constante de 100degC hasta que finalice su
cambio de fase y todo el liacutequido se haya convertido en vapor De manera inversa
ocurre cuando la temperatura del agua disminuye hasta alcanzar los 0degC En este
caso el agua empezaraacute a liberar calor y durante este proceso mantendraacute su
temperatura constante en 0degC hasta que complete su solidificacioacuten y todo el
liacutequido se haya convertido en hielo (B Zalba J Marin L Cabeza y H Mehling
2003)
En la Figura 21 se observa coacutemo la temperatura se mantiene constante
en 0degC formando una recta horizontal durante su cambio de fase y posteriormente
en 100degC hasta que se convierte en vapor
Figura 21 Diagrama de proceso de cambio de fase Hielo ndash Vapor
Fuente (B Zalba J Marin L Cabeza y H Mehling 2003)
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
Del mismo modo actuacutean los PCM cada uno tiene su propia temperatura
de cambio de fase y gracias a las variaciones de temperatura entre el diacutea y la
noche ocurren los ciclos de fusioacuten y solidificacioacuten de estos materiales resultando
en la absorcioacuten maacutexima de energiacutea durante el diacutea cuando las temperaturas
suben y la disipacioacuten de eacutesta en la noche cuando la temperatura ambiente baja
La energiacutea utilizada para cambiar el estado del material dado que la temperatura
de cambio de fase es aproximada a la temperatura ambiente de confort deseada
daraacute lugar a un clima interior maacutes estable y coacutemodo asiacute como tambieacuten reduciraacute
las cargas de enfriamiento y calefaccioacuten en horas pico especialmente en
aquellas edificaciones con baja masa teacutermica (S E Kalnaes and B P Jelle
2015)
222 Propiedades
A continuacioacuten se describiraacuten las propiedades maacutes relevantes que definen un
material de cambio de fase (Oroacute 2012)
a) Propiedades Termofisica
Temperatura de fusioacuten (Tf) en el rango de funcionamiento seguacuten la
aplicacioacuten
Alto calor latente de fusioacuten (ΔHf) por unidad de volumen
Alto calor especiacutefico para proporcionar calor sensible adicional
significativo
Alta conductividad teacutermica en fase soacutelida y liacutequida (buena transferencia de
calor)
Baja variacioacuten de volumen en el cambio de fase y baja presioacuten de vapor a
la temperatura de funcionamiento
Fusioacuten congruente del material de cambio de fase con cada ciclo de
solidificacioacutenfusioacuten con el miacutenimo sub-enfriamiento
Cambio de fase ciclo continuo con termino de vida uacutetil
Alta densidad
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
25
Diego Sarabia Meacutendez
b) Propiedades quiacutemicas
Ciclo de solidificacioacutenfusioacuten reversible y completo
Baja degradacioacuten despueacutes de un elevado nuacutemero de ciclos de
fusioacutensolidificacioacuten
No corrosivo para los materiales encapsulados
No toacutexico no inflamable y no explosivo
c) Econoacutemicas
Abundante y disponible
Rentable en relacioacuten al ahorro energeacutetico y costos del material
Faacutecil reciclaje y tratamiento quiacutemicos
223 Almacenamiento de energiacutea teacutermica
La necesidad de almacenamiento energeacutetico y de buscar formas de
acondicionamiento pasivo es lo que inspira a la investigacioacuten a centrarse en el
almacenamiento teacutermico Es fundamental para el desarrollo del paiacutes disminuir la
demanda energeacutetica sin sacrificar el confort (PRIEN 2002)
En esta seccioacuten de la investigacioacuten se daraacute a conocer las formas de
almacenamiento teacutermico existentes y dando eacutenfasis al almacenamiento
energeacutetico por calor latente donde pertenecen los materiales de cambio fase
(PCM)
El equilibrio termodinaacutemico de los PCM se debe principalmente a los
intercambios de calor con el entorno externo El tiempo para que el PCM alcance
el nuevo equilibrio termodinaacutemico es el tiempo necesario para que el calor sea
intercambiado con el espacio a climatizar Los paraacutemetros baacutesicos de los
materiales de cambio de fase incluyen seguacuten ecuacioacuten (1)
bull Capacidad caloriacutefica [J kg]
119876 = int 119862119901119904 119889119905 + 119862119898 + int 119862119901119897 119889119905 cong 119862119901119904(119879119898 minus 1198791) + 119862119898 + 1198792
119879119898
119879119898
1198791
119862119901119897(1198792 minus 1198791)
Ec 1
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
26
Diego Sarabia Meacutendez
Donde 119862119901119904 o 119862119901119897 Calor especiacutefico soacutelido y liacutequido kJ(kg times K) 119862119898 Calor
de transformacioacuten de fase (fusioacuten) kJ(kg times K) Tm - temperatura de transicioacuten
de fase (fusioacuten) T1 T2 rango de temperatura de funcionamiento de operacioacuten
224 Clasificacioacuten
Actualmente existe un gran nuacutemero de materiales cambio fase que han
sido investigados debido a que poseen una temperatura y un alto calor latente
de fusioacuten dentro del rango operacional deseado sin embargo exceptuando por
esta caracteriacutestica la mayoriacutea de estos materiales no satisfacen los otros
criterios necesarios para un medio de almacenamiento adecuado (Sharma
2009)
Aquellos que siacute responden a estas prestaciones y se encuentran disponibles en
el mercado pueden ser clasificados en tres grandes grupos orgaacutenicos
inorgaacutenicos y euteacutecticos (V Tyagi amp D Buddhi 2007)
Figura 22 Clasificacioacuten de los Materiales Cambio Fase
Fuente Elaboracioacuten Propia
Materiales Cambio Fase
Organico
Parafina Acido Graso
Inorganico
Sal Hidratada
Metalico
Eutectico
Inorganico -Inorganico
Inorganico -Organico
Organico -Organico
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
Los materiales de cambio de fase liquido-solido maacutes comunes estaacuten en el
rango de temperaturas entre 20degC y 80 degC son las ceras de parafina sales
hidratadas mezclas euteacutecticas y aacutecidos grasos
Las ceras de parafina estaacuten disponibles en el mercado pero su calor
latente (hasta 200 kJkg) es solo la mitad del de las sales hidratadas
Las sales hidratadas son maacutes econoacutemicas que las ceras de parafina y
tambieacuten estaacuten disponibles en el mercado pero tienen algunas desventajas como
las bajas temperaturas de fusioacuten o la corrosioacuten en contacto con metales
En las mezclas euteacutecticas intervienen dos componentes con punto de
fusioacuten (solidificacioacuten) maacutes bajo que el que poseen los compuestos
individualmente Esto hace que la mezcla alcance el punto de congelacioacuten maacutes
bajo posible y ambos se solidifiquen a esa temperatura euteacutectica (Ramiacuterez A
Santos A amp Gonzaacutelez N 2012)
Los PCM tienen una significativa capacidad de almacenar calor por medio
del cambio de estado pero es necesario tener en cuenta los paraacutemetros de
disentildeo del problema y las ventajas y desventajas de los diferentes tipos de
materiales para determinar cuaacuteles son los maacutes apropiados de utilizar en la
construccioacuten dependiendo de sus diferentes caracteriacutesticas y maacutes importante
aun dependiendo de si su temperatura de cambio de fase se acerca a la
temperatura de confort
2241 PCM inorgaacutenicos sales hidratadas
Seguacuten varios investigadores estos materiales fueron muy estudiados en
las primeras etapas de investigacioacuten de PCM por su bajo costo y su capacidad
de almacenamiento de grandes cantidades de calor por unidad de volumen en
comparacioacuten con las sustancias orgaacutenicas que las convierten en candidatos
idoacuteneos para sus muacuteltiples aplicaciones en el aacutembito del almacenamiento de
energiacutea
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
La buacutesqueda de sustancias con temperatura de cambio de fase proacutexima a
la temperatura ambiente no ha encontrado buenos candidatos dentro de este
grupo y las investigaciones se han dirigido maacutes hacia las sustancias orgaacutenicas
Tabla 21 Ventajas e inconvenientes de los PCM inorgaacutenicos
Ventajas Inconvenientes
Econoacutemicos Problemas en el encapsulado y preparacioacuten
del material
Elevada densidad de
almacenamiento teacutermico
Para un uso prolongado necesita de aditivos
Elevada conductividad teacutermica Son susceptibles de sub enfriamiento
(Inestables)
Temperatura de cambio de fase
claramente definida
Debido a la inestabilidad teacutermica y histeacuteresis
se debe aplicar aditivos para evitar una fusioacuten
incongruente en su aplicacioacuten donde puede
reducir su capacidad de almacenamiento de
calor latente
No inflamables Potencialmente corrosivos con algunos
metales
Reciclables y biodegradables
Fuente (Ramiacuterez A Santos A amp Gonzaacutelez N 2012)
Las sales hidratadas tienen algunas propiedades atractivas como los
elevados valores de calor latente no son inflamables y su elevado contenido
hiacutedrico significa que son baratos y muy disponibles Sin embargo sus
caracteriacutesticas de inadaptacioacuten (corrosioacuten inestabilidad dificultades de re-
solidificacioacuten y tendencia al sub enfriamiento) han implicado la realizacioacuten de
estudios hasta la actualidad para poder manejar estas desventajas y realizar su
correcta aplicacioacuten Necesitan por tanto un contenedor para utilizarlos como
aditivos de otros materiales (Ramiacuterez A Santos A amp Gonzaacutelez N 2012)
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
Tabla 22 Temperatura de fusioacuten de algunas sales hidratadas
PCM Temperatura
fusioacuten (ordmC)
Q fusioacuten (kJkg)
KFmiddot4H2O 185 231
Na2SO4middot10H2O 324 254
CaCl2middot6H2O 24ndash29 192
CaCl2middot6H2O+Nucleador+MgCl2middot6H2O 23 -
Fuente (Ramiacuterez A Santos A amp Gonzaacutelez N 2012)
En la tabla 21 se muestran algunas ventajas y desventajas de los PCM
inorgaacutenicos y en la tabla 22 se muestran las temperaturas de fusioacuten de las sales
hidratadas que permiten determinar cuaacuteles son las oacuteptimas para utilizar en
aislacioacuten (las cuales su temperatura de fusioacuten se acerca a la temperatura de
confort)
2242 PCM orgaacutenicos parafinas aacutecidos grasos y mezclas orgaacutenicas
Los PCM orgaacutenicos poseen unas caracteriacutesticas que los hacen muy uacutetiles
en su aplicacioacuten en determinados elementos constructivos para almacenamiento
de calor latente
Investigadores determinaron que son maacutes estables quiacutemicamente que las
sustancias inorgaacutenicas funden y solidifican convenientemente sin necesidad de
agentes nucleadores y no sufren sub-enfriamiento o histeacuteresis (Gawron 1981)
No obstante se ha demostrado que son maacutes compatibles y adecuados para la
adsorcioacuten en varios materiales constructivos Aunque el costo inicial en materia
prima de un PCM orgaacutenico es superior al de un inorgaacutenico su costo final es
competitivo
Sin embargo estos materiales tienen otras desventajas la maacutes
significativa es que son inflamables y que emiten gases nocivos durante su
combustioacuten Otros problemas menos extendidos son las reacciones con los
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
productos de la hidratacioacuten en hormigoacuten (hidroacutexido de calcio) envejecimiento por
oxidacioacuten y cambios de olor
Muchos de estos inconvenientes se han eliminado Se ha visto que el
envejecimiento por oxidacioacuten de los PCM puede inhibirse utilizando un oxidante
adecuado Se estaacute investigando tambieacuten en la emisioacuten de gases y la
inflamabilidad de algunos de los PCM maacutes efectivos para establecer un radio de
ignicioacuten Tambieacuten se estaacute investigando sobre la compatibilidad de los PCM con
el hormigoacuten (Ramiacuterez A Santos A amp Gonzaacutelez N 2012)
En la tabla 23 se muestran algunas ventajas y desventajas de los PCM
orgaacutenicos y en la tabla 24 y 25 se muestran las temperaturas de fusioacuten de las
parafinas y aacutecidos grasos que permiten determinar cuaacuteles son las oacuteptimas para
utilizar en aislacioacuten (las cuales su temperatura de fusioacuten se acerca a la
temperatura de confort)
Tabla 23 Ventajas e inconvenientes de los PCM orgaacutenicos
Ventajas Inconvenientes
Faacuteciles de usar Calor latente y entalpiacutea maacutes bajos
Estabilidad teacutermica y quiacutemica Baja conductividad teacutermica
No sufren subenfriamiento Amplio rango de fusioacuten
No necesitan agente nucleador para
solidificar
Inflamables
No corrosivos Reaccioacuten potencial con hormigoacuten
Reciclables y ecoloacutegicamente inocuos Alto costo
Compatibilidad con materiales de construccioacuten convencionales
Fuente (Ramiacuterez A Santos A amp Gonzaacutelez N 2012)
Dentro de los PCM orgaacutenicos se pueden encontrar tres grupos de
sustancias diferentes parafinas aacutecidos grasos y mezclas orgaacutenicas A
continuacioacuten se presenta una pequentildea descripcioacuten de estos (Ramiacuterez A
Santos A amp Gonzaacutelez N 2012)
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
22421 Parafinas
Las parafinas son esencialmente un alcalino solido refinado Muestran dos
rangos de enfriamiento un rango maacutes estrecho para un breve periodo de tiempo
y un rango maacutes extenso que ocurre durante un periodo maacutes amplio Ambos se
interpretan como una transicioacuten de liacutequido a amorfo-soacutelida y amorfo-solida a
cristalino-solida respectivamente Parte del calor latente total de fusioacuten se
almacena en la sustancia durante cada una de estas transiciones
Tabla 24 Temperatura de fusioacuten de algunas parafinas
PCM Temperatura fusioacuten (ordmC) Q fusioacuten (kJkg)
Hexadecano 18 236
Heptadecano 22 214
Octadecano 28 244
Parafina 20ndash60 200
RT25 25 147
Fuente (Ramiacuterez A Santos A amp Gonzaacutelez N 2012)
22422 Aacutecidos Grasos
Los aacutecidos grasos derivados de productos animales y vegetales estaacuten
constituidos por una larga cadena alifaacutetica maacutes de 12 carbonos Su cadena
alquiacutelica puede ser saturada o insaturada
En general muestran excelentes caracteriacutesticas teacutermicas (punto de fusioacuten
y congelacioacuten) El rango de temperatura de refrigeracioacuten es grande y no se
produce sub enfriamiento aunque en algunos casos se han detectado Estos
materiales sin embargo tienen elevado costo pudieacutendose utilizar en dispositivos
especiales de almacenamiento de calor o frio
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
Tabla 25 Temperatura de fusioacuten de algunos aacutecidos grasos
PCM Temperatura fusioacuten (ordmC) Q fusioacuten (kJkg)
Caacuteprico 315 158
Laacuteurico 42-44 179
Pentadecano 52 159
Miriacutestico 54 190
Palmiacutetico 63 183
Esteaacuterico 70 196
Eritrol 116-118 126
Fuente (Ramiacuterez A Santos A amp Gonzaacutelez N 2012)
2243 Mezclas euteacutecticas
Tambieacuten existen las mezclas euteacutecticas que puede ser la mezcla de 2
PCM orgaacutenicos de 2 PCM inorgaacutenicos o de un PCM Orgaacutenico maacutes un PCM
inorgaacutenico A continuacioacuten en la tabla 26 se muestra la clasificacioacuten de los PCM
Tabla 26 Clasificacioacuten de los PCMs
Tipo PCM Composicioacuten
Orgaacutenicos Compuestos de parafina
Compuestos sin parafina
Inorgaacutenicos Sales hidratadas
Metaacutelicos
Euteacutecticos Orgaacutenico-Orgaacutenico
Orgaacutenico-Inorgaacutenico
Inorgaacutenico-Inorgaacutenico
Fuente (JuarezD Balart R Ferrandiz S amp Garcia D 2012)
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
23 Criterios de seleccioacuten de los Materiales con Cambio se Fase
Es muy importante la correcta seleccioacuten del material de cambio de fase
dependiendo del campo en que se desee utilizar por lo que a continuacioacuten se
presentaran algunos criterios para seleccionar un PCM correctamente Estos
criterios son propuestos seguacuten una investigacioacuten realizada en Espantildea (Ramiacuterez
A Santos A amp Gonzaacutelez N 2012)
a) Fiacutesicas
bull La densidad del liacutequido y del solido deben ser similares y preferiblemente
elevadas para poder almacenar mayor cantidad de calor por unidad de volumen
bull Variacioacuten de volumen (en el cambio de fase) bajo
b) Cineacuteticas
bull Evitar el problema de histeacuteresis subenfriamiento o retardo al inicio de la
solidificacioacuten como ocurre en los PCM inorgaacutenicos que se produce al no ceder
el calor latente de un PCM pese a que su temperatura sea inferior al punto de
congelacioacuten
c) Quiacutemicas
bull El proceso de cambio de fase debe ser totalmente reversible y solo dependiente
de la temperatura
bull Ser quiacutemicamente estables en el tiempo evitando su descomposicioacuten y
contaminacioacuten
bull No presentar segregacioacuten de fases
bull Ser compatibles con los materiales de encapsulado y otros con los que esteacute en
contacto estabilidad quiacutemica para evitar oxidacioacuten descomposicioacuten teacutermica
hidroacutelisis corrosioacuten y otras reacciones
bull No inflamables y resistentes al fuego
d) Teacutermicas
bull La temperatura de cambio de fase debe ser adecuada a cada aplicacioacuten
particular
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
bull Presentar una temperatura de fusioacuten definida o al menos el cambio de fase
debe producirse en un valor discreto o en un pequentildeo intervalo de temperaturas
bull Poseer una gran capacidad de almacenamiento de calor sensible (calor
especiacutefico) en estado soacutelido y liacutequido y elevada entalpia de cambio de fase calor
latente
bull Poseer una alta conductividad teacutermica para facilitar la transferencia de calor
e) Econoacutemicas
bull Estar disponible en grandes cantidades a bajo costo para que sean viables
teacutecnica y econoacutemicamente
bull Tener un razonable ciclo de vida uacutetil de acuerdo con su costo
24 Vida uacutetil del material cambio fase
El tiempo de vida uacutetil de un PCM viene determinado por la cantidad de
ciclos teacutermicos que es capaz de soportar un material manteniendo su estabilidad
teacutermica El PCM es sometido a repetidos ciclos de calentamiento y enfriamiento
en los que el material cambia de fase de soacutelido a liacutequido y posteriormente vuelve
a cambiar de fase de liacutequido a soacutelido Se miden sus propiedades teacutermicas en
temperaturas fusioacuten y entalpias obteniendo el nuacutemero de ciclos en los que las
propiedades teacutermicas del material no variacutean de forma considerable
Tras realizar una exhaustiva buacutesqueda existe muy poca bibliografiacutea
acerca de la degradacioacuten teacutermica de los PCM y la determinacioacuten de su tiempo de
uso especialmente en aplicaciones para edificacioacuten donde la vida uacutetil del material
debe ser elevada
Aunque es complicado conocer la vida uacutetil real de estos materiales y en
queacute momento dejan de conservar sus propiedades adecuadas para las
aplicaciones a las que se destina existen algunos artiacuteculos basados en
experimentos realizados en laboratorios de materiales sometidos a ciclos
teacutermicos acelerados para determinar si en un nuacutemero de ciclos el material
mantiene sus propiedades teacutermicas intactas (temperaturas fusioacuten y entalpias)
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
Algunos materiales son sometidos a 50 100 1000 o hasta 5000 ciclos teacutermicos
Pero el problema es determinar si ese maacuteximo de 5000 ciclos es suficiente para
asegurar que un material seguiraacute cumpliendo su funcioacuten Hasta el momento no
se ha encontrado en la literatura ninguna investigacioacuten donde se ensaye el
material un nuacutemero suficiente de ciclos hasta la peacuterdida de sus propiedades
teacutermicas para poder conocer su vida uacutetil o el nuacutemero de ciclos que es capaz de
soportar el PCM hasta su degradacioacuten
Por todo lo anteriormente expuesto en esta investigacioacuten se ha
considerado la vida uacutetil del material como el mayor nuacutemero de ciclos soportados
por un material obtenidos a partir de los estudios realizados por diferentes autores
en la literatura o fabricante a pesar de no haber llegado a degradarse en su
totalidad
25 Aplicacioacuten en la construccioacuten
El sector de la construccioacuten es el que maacutes beneficios puede obtener de la
utilizacioacuten de materiales con cambio de fase (PCM) ya que tiene importantes
beneficios en ahorro energeacutetico reducir la contaminacioacuten de CO2 y optimizar la
inercia teacutermica en las edificaciones con el objetivo de mejorar la habitabilidad de
los usuarios
La temperatura interior en un edificio depende de las condiciones
exteriores interiores y de las caracteriacutesticas teacutermicas de la edificacioacuten como la
capacidad teacutermica de los materiales que tiene un efecto como el mostrado en la
figura 23 el cual no considera un sistema activo en su anaacutelisis
Figura 23 Estabilizacioacuten de la temperatura interior por el efecto inercia teacutermica
Fuente (M Kenisarin amp K Mahkamov 2007)
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
Actualmente la mayoriacutea de los materiales de construccioacuten son livianos lo
que trae como consecuencia una baja capacidad caloriacutefica La introduccioacuten de
materiales de cambio de fase puede aumentar la inercia teacutermica del edificio sin
aumentar mucho su peso Sin embargo es necesario disponer de aacuterea de
transferencia de calor suficiente para liberar esa energiacutea (Dincer I amp Rosen M
2002) y es imprescindible que se pueda descargar el material por medio de la
ventilacioacuten durante la noche para prevenir el sobrecalentamiento en los
elementos con PCM (M Kenisarin amp K Mahkamov 2007)
La Figura 24 muestra una comparacioacuten entre el espesor de material
requerido para obtener la misma capacidad teacutermica que la obtenida con un
centiacutemetro de PCM
Figura 24 Espesor requerido de distintos materiales Vs Energiacutea teacutermica
Fuente (M Kenisarin amp K Mahkamov 2007)
Las caracteriacutesticas requeridas para el empleo de materiales de cambio de
fase en la edificacioacuten son
0 5 10 15 20 25 30 35 40
Yeso
Madera
Hormigon
Ceramico
Ladrillo
PCM
Espesor (cm)
H (
kJK
g)
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
Temperatura de cambio de fase entre 12 y 25ordmC
Alta estabilidad a los ciclos de cambio de fases debido a la larga vida uacutetil
de los edificios
No corrosivos para reducir el riesgo de fuga de su contenedor y evitar
dantildeos en la estructura del edificio
Considerar la inflamabilidad al fuego y dar soluciones constructivas de
acuerdo a la normativa
Econoacutemicamente viable en funcioacuten de los costos de implementacioacuten y
ahorro energeacuteticos
Una limitacioacuten de los PCM para su aplicacioacuten en la construccioacuten es la
estacionalidad pues el PCM debe ser seleccionado para aplicaciones en
calefaccioacuten pasiva Esta limitacioacuten reduce los beneficios teacutermicos el ahorro
energeacutetico y su viabilidad econoacutemica Investigadores estudiaron un concepto de
doble capa de PCM para que funcionara durante todo el antildeo (A Pasupathy L
Athanasius R Velraj amp RV Seeniraj 2008)
26 Encapsulacioacuten
Uno de los criterios que ha limitado el uso generalizado de los PCM es la
incompatibilidad entre estos materiales y sus contenedores afectando su
estabilidad a largo plazo degradado sus propiedades y provocando la corrosioacuten
de sus recipientes de embalaje Como respuesta a estos inconvenientes han
surgido diferentes teacutecnicas de encapsulacioacuten de los PCM las cuales ofrecen
unas ventajas significativas tales como
Aumento del aacuterea de transferencia de calor
Reduccioacuten de la reactividad hacia el ambiente exterior
Control de los cambios en el volumen eacutestos ocurren dentro de la capsula
No hay absorcioacuten de humedad
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
Los meacutetodos de encapsulacioacuten clasificados de acuerdo a su tamantildeo
pueden ser de dos tipos micro y macro encapsulados (Lane 1986)
261 Microcaacutepsulas
Una investigacioacuten menciona que la micro encapsulacioacuten podriacutea definirse
como el proceso de rodear o envolver una sustancia en otra sustancia a escala
muy reducida produciendo caacutepsulas que van desde 1 μm a 1000 μm de diaacutemetro
Los tres estados de la materia (soacutelidos liacutequidos y gases) pueden ser micro
encapsulado
El material de la membrana exterior debe ser compatible con el PCM y a
su vez ser capaz de hacer frente a la tensioacuten mecaacutenica sobre las paredes del
recipiente provocada por las variaciones de volumen durante el cambio de fase
(S E Kalnaeligs amp B P Jelle 2015)
Por lo general los PCM micro-encapsulados se encuentran
comercialmente disponibles en dos formatos dispersioacuten fluida donde las
caacutepsulas son dispersadas en agua o en polvo en mezclas en seco
La figura 25 muestra en teacuterminos practico la conformacioacuten de la
envolvente de poliacutemero en una cera PCM dimensionando el tamantildeo en ellas
Figura 25 Microcaacutepsulas
Fuente (S E Kalnaes and B P Jelle 2015)
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
262 Macrocaacutepsulas
La macro-encapsulacioacuten hace referencia a PCM encapsulados en
cualquier tipo de recipiente tal como tubos esferas o paneles que pueden ser
incorporados en materiales de construccioacuten o que actuacutean como intercambiadores
de calor por siacute mismos El tamantildeo de estos contenedores es por lo general maacutes
de 1 cm3 almacenando desde varios mililitros hasta varios litros La tecnologiacutea
de macro encapsulacioacuten emplea un proceso de encapsulacioacuten de doble capa
creando una caacutepsula con una configuracioacuten en forma de matriz La principal
ventaja de los envases plaacutesticos es la disponibilidad en el mercado y la facilidad
de producirlos en una gran variedad de formas y con pocas restricciones
geomeacutetricas Ademaacutes son compatibles con la mayoriacutea de PCM incluyendo las
sales hidratadas por lo general no presentan degradacioacuten aunque algunos
materiales orgaacutenicos pueden llegar a suavizarlos (S E Kalnaes and B P Jelle
2015)
El PCM se encuentra confinado por la encapsulacioacuten evitaraacute cambios
volumeacutetricos importantes lo que evita varios riesgos y garantiza la integridad del
componente en el que se insertan las caacutepsulas La barrera polimeacuterica puede ser
de otros materiales por ejemplo como aluminio ya que mejora la compatibilidad
con otros materiales de construccioacuten y evita la corrosioacuten Este tipo de aplicacioacuten
es de faacutecil manejo una clara ventaja de este proceso en relacioacuten a los meacutetodos
de impregnacioacuten e inmersioacuten del iacutetem anterior
Figura 26 Caacutepsulas de macro PCM (Contenedor plano Esfera Placas de
barra doble y placas de aluminio)
Fuente (S E Kalnaeligs amp B P Jelle 2015)
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
CAPITULO III MEacuteTODOS Y METODOLOGIacuteA
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
41
Diego Sarabia Meacutendez
En este estudio la evaluacioacuten se centra en el anaacutelisis de optimizacioacuten de
la aplicacioacuten PCM a los muros exteriores y dimensionamiento del rendimiento
teacutermico de una vivienda en estudio
Los modelos generados en el software Energy Plus se ingresoacute valores de
los sistemas constructivos de la vivienda en estudio condiciones climaacuteticas
caracterizacioacuten PCM en muros exteriores y caracterizacioacuten macro encapsulacioacuten
de acuerdo con las directrices (DOE 2016) se explica en las siguientes secciones
del capiacutetulo
31 Herramienta de simulacioacuten de energiacutea
Para evaluar los PCM de comportamiento teacutermico variable de la vivienda
en estudio con y sin PCM se utilizoacute el software EnergyPlus v 87
En teacuterminos generales el software puede evaluar una variedad de caacutelculos
destacados como los caacutelculos de puentes teacutermicos HVAC integrado y
simulaciones de carga de construccioacuten confort teacutermico y materiales con
conductividad teacutermica variable como el PCM (DB Crawley LK Lawrie FC
Winkelmann WF Buhl YJ Huang amp CO Pedersen 2001) Ademaacutes hay
muchas opciones para la conveccioacuten de la superficie interior y exterior
algoritmos infiltracioacuten avanzada e ventilacioacuten energiacutea desarrollada costos del
ciclo de vida algoritmos avanzados de confort teacutermico como como la calidad del
aire interior y el confort teacutermico para los ocupantes (DB Crawley JW Hand M
Kummert amp BT Griffith 2008)
Para analizar el comportamiento teacutermico variable de los PCM en estudio
se utilizoacute el algoritmo de diferencia finita de conduccioacuten (CondFD) Este algoritmo
modela la transferencia de calor en presencia de PCM y junto con la ecuacioacuten (2)
discretiza la envolvente del edificio en varios nodos para resolver numeacutericamente
la transferencia de calor en el software se puede escoger ecuaciones por un
esquema totalmente impliacutecito y el Crank-Nicolson que es semi-impliacutecito (KO
Lee 2016)
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
42
Diego Sarabia Meacutendez
En esta investigacioacuten se utiliza un esquema Crank-Nicolson para simular
PCM para un material homogeacuteneo con espaciado uniforme de nodos como se
muestra en la ecuacioacuten (2) (3) y (4) extraiacutedo del manual del software
EnergyPlus (DOE 2016)
119862119901120588∆119909119879119894
119895+1minus 119879119894
119895
∆119905= (119896119908
119879119894+1119895+1
minus 119879119894119895+1
∆119909+ 119896119864
119879119894minus1119895+1
minus 119879119894119895+1
∆119909+ 119896119908
119879119894+1119895
minus 119879119894119895
∆119909+ 119896119864
119879119894minus1119895
minus 119879119894119895
∆119909)
Ec 2
∆119909 = radic119888120572∆119905 Ec 3
Donde Cp y ρ son el calor especiacutefico y la densidad del material Δ119909 es el
espesor de capa de diferencia finita Δ119905 es el paso de tiempo 119879 es la temperatura
de un nodo 119894 119894 + 1 y 119894 minus 1 son los nodos adyacentes al interior y exterior
respectivamente de una capa de material 119895 y 119895 + 1 son los pasos de tiempo
anterior y nuevo 119896119908 y 119896119864 representan las conductividades teacutermicas 119896119908 =
119896119894+1119895+1
+119896119894119895+1
2 y 119896119864 =
119896119894minus1119895+1
+119896119894119895+1
2 120572 es la difusividad teacutermica del material y 119888 es la
constante de discretizacioacuten del espacio que puede definir el usuario (3 es el valor
predeterminado para esta constante seguacuten manual)
Esta investigacioacuten considera el uso de paneles PCM por lo tanto el
algoritmo CondFD ecuacioacuten (2) debe combinarse con una funcioacuten de temperatura
de entalpiacutea ℎ = ℎ (119879) estos datos en la funcioacuten se obtendraacuten de acuerdo al estudio
bibliograacutefico El algoritmo usa esta funcioacuten para actualizar el calor especiacutefico
equivalente (119862119901) en cada paso de tiempo como se muestra en la ecuacioacuten (4)
lowast 119862119901(119879) =ℎ119894
119895minus ℎ119894
119895minus1
119879119894119895
minus 119879119894119895minus1
Ec 4
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
43
Diego Sarabia Meacutendez
32 Descripcioacuten Vivienda en estudio
En este apartado se define los sistemas constructivos de la vivienda en
estudio con y sin PCM para obtener la liacutenea base de comparacioacuten
En la figura 31 se muestra el disentildeo de vivienda en estudio de 56 m2 y
los espacios interiores con su distribucioacuten de aacutereas veacutease en la tabla 31 esta
vivienda se configuro de acuerdo a las soluciones constructivas acreditadas
(MINVU Soluciones constructivas acreditadas al fuego teacutermico y acuacutestico
2020)
Las caracteriacutesticas de la envolvente de la vivienda en estudio cuentan con
la configuracioacuten miacutenima de la reglamentacioacuten teacutermica que actualmente rige en
Chile estaacute establecida en la Ordenanza General de Urbanismo y Construcciones
en su artiacuteculo 4110 y en una zonificacioacuten del paiacutes en zonas teacutermicas seguacuten
grados-diacutea especificados en el manual de aislamiento teacutermico (MINVU Manual
de aplicacioacuten y reglamentacoacuten teacutermica 2017) Los complejos de techumbres
muros perimetrales y pisos inferiores ventilados entendidos como elementos que
constituyen la envolvente de la vivienda deberaacuten tener una transmitancia teacutermica
ldquoUrdquo igual o menor o una resistencia teacutermica total ldquoRtrdquo igual o superior a la
sentildealada para la zona que le corresponda al proyecto de arquitectura de acuerdo
con los planos de zonificacioacuten teacutermica corresponde a zona 4 y se verifica lo
anteriormente expuesto en la tabla 32 cabe sentildealar que los valores de
transmitancia teacutermica se extrajeron de acuerdo a las ecuaciones de balance
teacutermico que estaacute incorporado en el software
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Figura 31 Descripcioacuten Vivienda en estudio
Elaboracioacuten Propia - Software Revit
A continuacioacuten se muestra las dimensiones que tiene cada espacio de las
dos torres del edificio en las siguientes tablas
Tabla 31 Resumen superficies de los distintos espacios vivienda en estudio
Torre A
Lugar Superficie (119950120784) Altura (m)
Dormitorio Primario 8 24
Dormitorio Secundario 7 24
Cocina 9 24
Living - Comedor 28 24
Bantildeo 3 24
TOTAL 56
Fuente Elaboracioacuten Propia
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Tabla 32 Cumplimiento de la envolvente elementos constructivos de la vivienda en estudio
Elemento Materiales (exterior al
interior)
Espesor (m)
Transmitencia teacutermica Valor U (Wm2K)
Transmitencia teacutermica exigida Valor U (Wm2K)
Muro Exterior
Siding
Fibrocemento
0006
0672
17
Plancha OSB 0009
Entramado
madera pino 2x3
0075
Lana de vidrio 005
Caacutemara no
ventilada
(Ubicacioacuten del
PCM)
0026
Placa yeso cartoacuten 0015
Muro Interior
Placa yeso cartoacuten 0015
0677
17
Entramado
madera pino 2x2
0075
Lana de vidrio 005
Placa yeso cartoacuten 0015
Techumbre
Plancha Zincalum 0035
0316
038
Fieltro 0005
Plancha OSB 0009
Entramado madera pino 2x2
0075
Lana de Vidrio 005
Placa yeso cartoacuten 00125
Piso en contacto
con el terreno
Radier Hormigoacuten 02 17 No aplica
Fuente Elaboracioacuten Propia
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
46
Diego Sarabia Meacutendez
Para integrar el PCM con la vivienda en estudio se configuro las
propiedades teacutecnicas y la ubicacioacuten optima interna del PCM al panel externo
constructivo donde se administroacute en el modelo de simulacioacuten veacutease en la Figura
313 y figura 38
321 Meacutetodo de zona en software EnergyPlus
El modelo de construccioacuten creado se utilizoacute el meacutetodo de zona donde
todas las zonas fueron modeladas con informacioacuten completa en construccioacuten
ocupacioacuten equipamiento y HVAC
Al iniciar el modelo se elige la ubicacioacuten y el tipo de anaacutelisis Despueacutes se
debe ingresar un nombre al sitio y a cada zona Ademaacutes se puede asignar varios
edificios bajo el mismo sitio cada uno con su propio nombre Una vez definido lo
anterior se genera bloque que generalmente representa un piso o nivel planta
para este estudio se genera bloque de acuerdo a la figura 32
Figura 32 Modelo de zona en casa de estudio
Fuente Elaboracioacuten Propia
La fase de zonificacioacuten separa las diferentes zonas teacutermicas Para el
modelo cada suite se considera una zona El meacutetodo de zona permite asignar
diferentes horarios operativos a cada zona Cada una de las paredes de cada
bloque se llama superficie y ventanas o puertas como sub-superficies o
aberturas La vivienda se muestra parcialmente en la Figura 33
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
Figura 33 Zona y sub-superficie de vivienda en estudio
Fuente Elaboracioacuten Propia
El software da la posibilidad de elegir los materiales utilizados en la
construccioacuten de la vivienda a traveacutes de sus bibliotecas de materiales o pueden
ser creados por el usuario y los materiales elegidos son asignado a las partes
especificadas de la vivienda Estos pasos se repitieron en todos los pisos para
completar todo el modelo de construccioacuten
33 Datos meteoroloacutegicos
El modelo de simulacioacuten se mantuvo en base a los datos meteoroloacutegicos
con formato EPW en Energy plus se definioacute la ubicacioacuten Concepcioacuten Chile Con
el objetivo de evaluar el rendimiento teacutermico y analizar la optimizacioacuten de la
posicioacuten del PCM al muro exterior de la vivienda en estudio Las configuraciones
de los datos meteoroloacutegicos se muestran en la Figura 34
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Figura 34 Configuracioacuten datos meteoroloacutegico
Fuente Elaboracioacuten Propia
34 Jornadas de ocupacioacuten
Para realizar la simulacioacuten energeacutetica se deben definir una serie de
planillas de ocupacioacuten de los recintos uso de luminaria y equipos En estas
planillas de ocupacioacuten se define el ciclo horario para todos los diacuteas del antildeo
Esto se realiza con la finalidad de establecer los periodos en los que
influyen los distintos tipos de cargas internas en la vivienda
A continuacioacuten se adjunta a modo de ejemplo la figura 35 en la cual se
puede ver el menuacute de configuracioacuten de las plantillas de ocupacioacuten
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Figura 35 Planilla de uso horario de un recinto
Fuente Elaboracioacuten propia
35 Configuracioacuten envolvente por elemento y sistemas de climatizacioacuten
Definidos las zonas y multi zonas del modelo se deberaacute configurar los
sistemas constructivos en sus propiedades teacutermicas y dimensiones El software
automaacuteticamente genera el caacutelculo de transmitancia teacutermica anaacutelisis de
condensacioacuten y dimensioacuten en imagen por elemento Veacutease en la figura 36
Para configurar el sistema de climatizacioacuten primero se debe definir los
rangos de temperatura confort teacutermico en la pestantildea de actividades del software
Veacutease figura 37 A continuacioacuten se define el tipo de sistema de climatizacioacuten
definiendo las horas de operacioacuten tipo combustible y rendimiento del sistema
como se muestra en la figura 38
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Figura 36 Planilla configuracioacuten envolvente por elemento
Fuente Elaboracioacuten propia
Figura 37 Planilla configuracioacuten rango de temperatura confort teacutermico
Fuente Elaboracioacuten propia
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Figura 38 Planilla configuracioacuten del tipo de sistema de climatizacioacuten
Fuente Elaboracioacuten propia
36 Caracterizacioacuten PCM
En este estudio se utilizoacute placas PCM tipo orgaacutenico de parafina tiene una
relacioacuten de mezcla de n-octadecano a n-heptadecano seleccionado debido a la
eficiencia energeacutetica con temperatura cercana al confort teacutermico (12ndash26 deg C)
basado en ISO 13790 (KO Lee 2016)
Seguacuten el estado de arte existente se definioacute los tres materiales de cambio
de fase los cuales son candidatos idoacuteneos para utilizar en esta investigacioacuten
Estos materiales han sido estudiados por diversos autores con el fin de obtener
sus propiedades termofiacutesicas y usarlas en la edificacioacuten La razoacuten de utilizar estos
materiales es debido a sus propiedades teacutermicas y el que su temperatura de
fusioacuten es cercana a la temperatura de confort
Ademaacutes la vida uacutetil del PCM es de 13 antildeos seguacuten su ciclo de cambio
fase considerando 365 cambios fase anual el cual se justifica con los costos de
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
52
Diego Sarabia Meacutendez
inversioacuten al implementar esta tecnologiacutea dependiendo de la magnitud del flujo
de calor el cuaacutel se quiere operar
Las especificaciones teacutecnicas de las placas PCM y el comportamiento de
temperaturas y entalpias de operacioacuten se describen en la tabla 33 las cuales se
vinculan con el algoritmo CondFD de la ecuacioacuten (2) para evaluar su rendimiento
energeacutetico en la vivienda en estudio
361 Seleccioacuten de Materiales Cambio Fase
Tabla 33 Especificaciones teacutecnicas de PCM a utilizar
Caracteriacutesticas RT18HC
Valores Unidades Grafica entalpia y Temperatura
Temperatura de Fusioacuten
18
degC
Almacenamiento de calor
260 [kJkg]
Capacidad calor especifico
2 [kJkgK]
Densidad solido (a los 15degC)
088 [kgl]
Densidad solido (a los 25degC)
077 [kgl]
Conductividad teacutermica
(Ambas fases)
02 [W(mK)]
Expansioacuten de Volumen
125
Maacutexima temperatura operacioacuten
50 degC
Ciclo Cambio fase
5000 -
Caracteriacutesticas RT21HC
Valores Unidades Grafica entalpia y Temperatura
Temperatura de Fusioacuten
21
degC
Almacenamiento de calor
155 [kJkg]
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Capacidad calor especifico
2 [kJkgK]
Densidad solido (a los 15degC)
088 [kgl]
Densidad solido (a los 25degC)
077 [kgl]
Conductividad teacutermica
(Ambas fases)
02 [W(mK)]
Expansioacuten de Volumen
12
Maacutexima temperatura operacioacuten
45 degC
Ciclo Cambio fase
5000 -
Caracteriacutesticas RT22HC
Valores Unidades Grafica entalpia y Temperatura
Temperatura de Fusioacuten
22
degC
Almacenamiento de calor
190 [kJkg]
Capacidad calor especifico
2 [kJkgK]
Densidad solido (a los 15degC)
076 [kgl]
Densidad solido (a los 25degC)
070 [kgl]
Conductividad teacutermica
(Ambas fases)
02 [W(mK)]
Expansioacuten de Volumen
125
Maacutexima temperatura operacioacuten
50 degC
Ciclo Cambio fase
5000 -
Fuente (Rubitherm 2020)
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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362 Configuracioacuten del PCM en EnergyPlus
De acuerdo al estudio bibliograacutefico de los materiales cambio fase para
ingresar los datos al software se debe definir las cantidades de temperatura de
operacioacuten identificar el punto de fusioacuten en las graacuteficas de entalpia y temperatura
de la tabla 33 conductividad teacutermica calor especifico densidades y espesor en
el elemento constructivo con el fin de determinar el flujo de calor de operacioacuten
de acuerdo al balance termodinaacutemico de la ecuacioacuten (2) A continuacioacuten se
adjunta a modo de ejemplo la figura 39 en la cual se puede ver el menuacute de
configuracioacuten
Figura 39 Configuracioacuten del PCM en el software
Fuente Elaboracioacuten Propia
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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363 Cotizacioacuten PCM RT21
La inversioacuten total del material cambio fase es de $1106679
correspondiente a 160 kg con transporte incluido Se observa que el costo de
transporte afecta considerablemente en su valor (Alemania)
Se realizoacute cotizacioacuten del material RT21 en la empresa alemana Rubitherm
se presenta en la figura 310
Figura 310 Cotizacioacuten del material RT21
Fuente (Rubitherm 2020)
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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37 Caracterizacioacuten Macro encapsulacioacuten
En esta seccioacuten la placa de macro encapsulacioacuten utilizada para el PCM
es de materialidad de aluminio veacutease figura 311 esto aumenta la transferencia
de calor en los PCM Son dos placas que estaacuten unidas entre siacute Se unen en dos
puntos centrados y se pegan en sus marcos Pueden ser utilizados para PCM
(orgaacutenico - inorgaacutenico) Por lo tanto se puede ofrecer un rango de temperatura
para una variedad de aplicaciones El grosor depende del volumen de llenado y
por lo tanto de la capacidad de almacenamiento Para el estudio se seleccionoacute
el modelo CSM105 Rubitherm el cual su espesor es de 15 mm y puede
almacenar 2 Kg de PCM por placa
Figura 311 Modulo Almacenamiento Macro encapsulacioacuten de aluminio
Fuente (Rubitherm 2020)
371 Cotizacioacuten Macro encapsulacioacuten
La inversioacuten total de la Macro encapsulacioacuten de aluminio modelo CSM105
Rubitherm es de $ 4326306 correspondiente a 150 unidades con transporte
incluido Se observa que el costo de transporte afecta considerablemente en su
valor (Alemania) Se realizoacute cotizacioacuten de los elementos de Macro encapsulacioacuten
de aluminio modelo CSM105 Rubitherm se presenta en la figura 312
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Figura 312 Cotizacioacuten Macro encapsulacioacuten
Fuente (Rubitherm 2020)
38 Validacioacuten muro constructivo con PCM
De acuerdo a los estudios del estado de arte y conocimientos teacutecnicos se
validoacute el sistema constructivo propuesto del muro exterior en el cumplimiento de
resistencia al fuego de acuerdo al cataacutelogo de soluciones constructivas del
MINVU y de la Ordenanza General de Urbanismo y Construcciones (OGUC)
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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381 Cumplimiento de la OGUC y Resistencia al fuego
Dentro de las exigencias a cumplir por la OGUC se tiene la resistencia
al fuego en elementos constructivos seguacuten el tipo de recinto Para el caso del
muro de la vivienda en estudio se hace el siguiente anaacutelisis
De la tabla Ndeg34 seguacuten ldquodestino del edificiordquo ldquosuperficie edificada (m2)rdquo y
ldquonuacutemero de pisosrdquo se obtiene una clasificacioacuten (a b c y d) seguacuten corresponda
En el caso de estudio se tiene una vivienda de 1 piso por lo que el destino
es ldquoHabitacionalrdquo y por nuacutemero de pisos se establece una clasificacioacuten ldquodrdquo
Tabla 34 Clasificacioacuten de los edificios seguacuten su destino superficie edificada y
nuacutemero de pisos Destino del Edificio Superficie Edificada (m2) Nuacutemeros de Pisos
1 2 3 4 5 6 7 o mas
Habitacional Cualquiera d d c c b a a
Hoteles Sobre 5000 c b a a a a a
Sobre 1500 y hasta 5000 c b b b a a a
Sobre 500 y hasta 1500 c c b b a a a
Hasta 500 d c b b a a a
Oficinas Sobre 1500 c c b b b a a
Sobre 500 y hasta 1500 c c c b b b a
Hasta 500 d c c b b b a
Museos Sobre 1500 c c b b b a a
Sobre 500 y hasta 1500 c c c b b b a
Hasta 500 d c c b b b a
Clinica Hospitales y Lab Sobre 1000 c b b a a a a
Hasta 1000 c c b b a a a
Policlinicos Sobre 400 c c b b b b a
Hasta 400 d c c b b b a
Restaurante Sobre 500 b a a a a a a
Sobre 250 y hasta 500 c b b a a a a
Hasta 250 d c c b b a a
Locales Comerciales Sobre 500 c b b a a a a
Sobre 200 y hasta 500 c c b b a a
Hasta 200 d c b b b a a
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Bibliotecas Sobre 1500 b b a a a a a
Sobre 500 y hasta 1500 b b b a a a a
Sobre 250 y hasta 500 c b b b a a a
Hasta 250 d c b b a a a
Automotoras Cualquiera d c c b b b a
Edificio Estacionamiento Cualquiera d c c c b b a
Fuente (MINVU Soluciones constructivas acreditadas al fuego teacutermico y
acuacutestico 2020)
Para lograr obtener la resistencia al fuego necesaria se debe utilizar
ademaacutes la tabla 34 la cual utilizo como criterios la clasificacioacuten obtenida de la
tabla 35 y el tipo de elemento constructivo
Tabla 35 Resistencia al fuego para diferentes elementos de construccioacuten Elementos de Construccioacuten
Tipo (1) (2) (3) (4) (5) (6) (7) (8) (9)
A F-180 F-120 F-120 F-120 F-120 F-30 F-60 F-120 F-60
B F-150 F-120 F-90 F-90 F-90 F-15 F-30 F-90 F-60
C F-120 F-90 F-60 F-60 F-60 - F-15 F-60 F-30
D F-120 F-60 F-60 F-60 F-30 - - F-30 F-15
Fuente (MINVU Soluciones constructivas acreditadas al fuego teacutermico y
acuacutestico 2020) Simbologiacutea
Elementos verticales
(1) Muros cortafuego
(2) Muros zona vertical de seguridad y caja de escalera
(3) Muros caja de ascensores
(4) Muros divisorios entre unidades (hasta la cubierta)
(5) Elementos soportantes verticales
(6) Muros no soportantes y tabiques
Elementos verticales y horizontales
(7) Escaleras
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Elementos Horizontales
(8) Elementos soportantes horizontales
(9) Techumbre incluido cielo falso
Para el caso de los muros que dan al exterior de la vivienda en estudio se
considera en la categoriacutea (5) y seguacuten la clasificacioacuten obtenida de la tabla 35 (d)
se tiene un grado de resistencia al fuego F-30
Para cumplir con esta exigencia se utiliza una solucioacuten del cataacutelogo de
soluciones constructivas del MINVU la cual se presenta a continuacioacuten
Tabla 36 Tabique perimetral estructura madera en vivienda en estudio
A233014 Tabique Estructura Madera Volcanita 15 mm RF Placa
OSB 9 mm Siding Volcan 6 mm Aislanglas R122 50 mm
Elemento estaacute formado por una estructura de madera hecha con listones de pino
radiata de 2rdquo x 3rdquo en bruto Consta de 5 pie-derechos distanciados entre ejes
cada 06 m dos cadenetas distanciadas entre ejes cada 08 m una solera inferior
y otra superior Esta estructuracioacuten esta forrada por una de sus caras con una
plancha de yeso-cartoacuten ldquoVolcanita RFrdquo de 15 mm de espesor La otra cara esta
forrada con una placa de madera OSB de 9 mm de espesor y como terminacioacuten
en esta cara lleva unas fajas horizontales de fibrocemento ldquoSiding Volcanrdquo tipo
tinglado de 190 mm de ancho y 6 mm de espesor Todo el conjunto esta
atornillado a la estructura de madera Esta conformacioacuten deja espacios libres en
el interior del panel estaacuten rellenos con una manta de lana de vidrio tipo rollo libre
R122 de 50 mm de espesor de densidad media aparente de 14 kgm3 Las
dimensiones para el ensayo fue 22 de ancho x 24 de alto y 105 mm de espesor
INSTITUCION Ndeg Informe Lab Fecha Resistencia Inscripcioacuten
Volcaacuten SA 374721 IDIEM 26-06-96 F-30 2015
Fuente (MINVU Soluciones constructivas acreditadas al fuego teacutermico y
acuacutestico 2020)
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
Otra de las exigencias por parte de la OGUC es el cumplimiento de la
reglamentacioacuten teacutermica mostrado en la tabla 32 para esto se compara las
transmitancias teacutermicas exigidas con las envolventes de los elementos
constructivos de la vivienda en estudio Para el caso del muro donde se
incorporaraacute el PCM se seleccionoacute de acuerdo al listado de soluciones
constructivas del MINVU para validar la resistencia al fuego En la figura 313 se
visualiza las componentes de la envolvente del muro con PCM
Figura 313 Sistema Constructivo Muro exterior con PCM en vivienda estudio
Fuente Elaboracioacuten Propia
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
CAPITULO IV RESULTADOS Y DISCUSIOacuteN
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
En este segmento se evaluoacute el comportamiento energeacutetico de los
materiales cambio fase mediante el software Energy Plus Los materiales cambio
fase se produce dentro de placas de macro encapsulacioacuten de aluminio al interior
de los muros exteriores
Por lo tanto se observoacute el aporte energeacutetico de los materiales cambio fase
en un sistema activo de calefaccioacuten optimizando los sistemas constructivos en
la vivienda en estudio y dar respuesta a su aplicacioacuten en acondicionamiento
ambiental
41 Comportamiento Energeacuteticos de los materiales cambio fase
A continuacioacuten se comparoacute el comportamiento energeacutetico de dos sistemas
de climatizacioacuten con el aporte energeacutetico pasivo de los distintos materiales
cambio fase en una vivienda en estudio
411 Rendimiento energeacutetico de calefaccioacuten con y sin PCM
Para evaluar el comportamiento energeacutetico se definioacute la temperatura de
fusioacuten de los PCM en el rango de 18 a 22degC el aporte energeacutetico de los PCM
ayudo a mantener constante la temperatura confort de 21degC en la vivienda y
reducir los consumos energeacuteticos del sistema activo para este estudio se
escogioacute dos sistemas de climatizacioacuten caso 1 calefaccioacuten a lentildea con un η=07 y
caso 2 Climatizacioacuten por bomba de calor η=27 esta seleccioacuten se debe a que el
sistema de calefaccioacuten a lentildea es el maacutes usado en la zona genera una alta
contaminacioacuten ambiental por su combustioacuten en material particulado es el
combustible maacutes econoacutemico por unidad de energiacutea y su inversioacuten es accesible
en cambio los equipos de bomba calor tienen un mayor rendimiento energeacutetico
tiene menos impacto al medio ambiente y su inversioacuten es costosa
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
La figura 41 (a) muestra las potencias maacuteximas de disentildeo en
climatizacioacuten comparando la liacutenea base con la implementacioacuten de materiales
PCM en vivienda en estudio ubicado en Concepcioacuten Chile A traveacutes de este
anaacutelisis se identificoacute una disminucioacuten en su potencia de disentildeo de 319 (de
263 kW a un 179 kW) con respecto al caso base
Figura 41 (a) Potencia maacutexima disentildeo con y sin PCM en vivienda estudio
Fuente Elaboracioacuten Propia
En la figura 41 (b) y (c) se realizoacute la comparacioacuten de distintos tipos de
materiales PCM con un rango de temperatura de fusioacuten entre 18 degC a 22degC para
determinar cuaacutel es maacutes eficiente en funcioacuten de las variables de disentildeo
emplazamientos y propiedades teacutermicas
Para el primer caso se evaluoacute el sistema de calefaccioacuten a lentildea y el rol
clave de estos materiales PCM es reducir el consumo energeacutetico y el kgCO2
generado por la combustioacuten En los resultados se visualizoacute que el material cambio
fase optimo corresponde al PCM 22HC arrojando una reduccioacuten del consumo
energeacutetico de 341 (de 3694 kWh a un 2434 kWh) en comparacioacuten al caso base
CocinaDormitorioSecundario
DormitorioPrimario
Living-Comedor
Bantildeo
Sin PCM 03 037 047 129 02
Con PCM 017 027 033 087 015
0
02
04
06
08
1
12
14
Dem
ada
En
erge
tica
(k
W)
Potencia Maxima de Disentildeo
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
65
Diego Sarabia Meacutendez
Para el segundo caso se evaluoacute un sistema de bomba de calor multisplit
al igual que en el caso anterior el material optimo corresponde al PCM 22HC se
observoacute una disminucioacuten de consumo energeacutetico de un 344 (de 688 kWh a un
451 kWh) en comparacioacuten al caso base
Para ambos casos se observoacute una notable reduccioacuten de los consumos
energeacuteticos en estacioacuten friacutea
Figura 41 (b) Caso 1 - Consumo energeacutetico en calefaccioacuten Lentildea con y sin
PCM en vivienda estudio
Fuente Elaboracioacuten Propia
Ene Feb Mar Abr May Jun Jul Ago Sept Oct Nov Dic
Sin PCM 75 79 138 267 477 604 626 498 408 271 147 104
PCM 18 37 34 73 188 424 579 602 440 347 185 85 60
PCM 21 31 27 64 167 397 547 570 405 313 161 71 53
PCM 22 13 11 39 138 354 506 528 357 275 130 49 34
0
200
400
600
800
1000
Co
nsu
mo
Co
mb
ust
ible
(k
Wh
)
Consumo Combustible Lentildea Mensual
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
Figura 41 (c) Caso 2 - Consumo energeacutetico Bomba de calor con y sin PCM en
vivienda estudio
Fuente Elaboracioacuten Propia
Se identificoacute que la temperatura de fusioacuten maacutes baja de los PCM no es
viable en la optimizacioacuten del sistema pasivo en climatizacioacuten podriacutea ser explicado
por las variables temperatura exteriores dependiendo de las condiciones
climaacuteticas por su emplazamiento Por ejemplo de acuerdo con las cargas
maacuteximas de calefaccioacuten se debe a que la energiacutea en invierno aumento
estableciendo las temperaturas de confort teacutermico esta es una variable de
seleccioacuten del PCM que serviraacute para optimizar el disentildeo en funcioacuten del confort
teacutermico disminuyendo demanda energeacutetica perdidas caloriacuteficas y consumos
energeacuteticos de sistemas de calefaccioacuten activos
Seguacuten el estado de arte otro punto importante a comentar es tener en
cuenta que las curvas de entalpia y temperatura tanto para refrigeracioacuten y
calefaccioacuten deben ser lo maacutes cercana posible de lo contrario se produciriacutea una
Ene Feb Mar Abr May Jun Jul Ago Sept Oct Nov Dic
Sin PCM 14 15 26 50 89 112 116 92 78 50 27 19
PCM 18 7 6 14 35 79 107 112 82 64 34 16 11
PCM 21 57 5 12 31 74 101 106 75 58 30 13 10
PCM 22 23 2 72 256 66 936 976 662 511 24 9 63
0
20
40
60
80
100
120
Co
nsu
mo
Co
mb
ust
ible
(k
Wh
)Consumo Combustible Bomba de calor Mensual
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
histeacuteresis o sub enfriamiento y afectariacutea considerablemente el rendimiento del
PCM en su aplicacioacuten
Para la implementacioacuten de sistemas activos sustentables en climatizacioacuten
se demuestra en el estudio que el aporte energeacutetico de los PCM es mantener la
temperatura constante dentro de los espacios interiores y ayudan tambieacuten a bajar
considerablemente los consumos energeacuteticos y es un aporte al medio ambiente
Para sistemas pasivos la eficiencia en los PCM en los muros exteriores
podriacutea incrementarse sugiriendo que haya acristalamiento a base de muros
cortina durante el diacutea lleva al PCM al proceso de cambio de fase de manera
estable en el tiempo debido a su almacenamiento teacutermico (F Ascione RF De
Masi F de Rossi S Ruggiero amp GP Vanoli 2016)
Ademaacutes la disminucioacuten de un 319 en potencia maacutexima de disentildeo para
equipos de climatizacioacuten arrojado en este estudio y un promedio de 33 en
reduccioacuten en consumo energeacutetico en los dos casos de climatizacioacuten propuestos
se puede inferir que los materiales cambio fase es capaz de contribuir a eficiencia
energeacutetica
412 Inversioacuten inicial y costos operativos en sistemas de calefaccioacuten con y sin PCM
Se hizo un anaacutelisis de los principales costos asociados a la adquisicioacuten de
los equipos y operacioacuten de eacutestos No se consideraraacute valor residual o de
salvamiento Para poder comparar la vida uacutetil a usar seraacute de 10 antildeos
Al obtener los valores de consumos energeacuteticos en las simulaciones de
los casos propuestos se visualiza una aproximacioacuten en demostrar el beneficio
econoacutemico que aporta los PCM a los sistemas activos Vease en figura 42
En el caso 1 sistema de calefaccioacuten a lentildea se observoacute una disminucioacuten
en los costos de operacioacuten anual de un 341 (de $88656 a un $58416)
($ 24 por kWh) (BES 2017) y en el caso 2 sistema de climatizacioacuten por bomba
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
68
Diego Sarabia Meacutendez
calor se observoacute una disminucioacuten en los costos de operacioacuten anual de un 344
(de $72928 a un $47795) ($ 106 por kWh) (BES 2017)
Figura 42 Inversioacuten inicial y costos operativos sistema climatizacioacuten con y sin
PCM en vivienda estudio
Fuente Elaboracioacuten Propia
42 Propuesta de aplicacioacuten PCM a caso base como sistema de actualizacioacuten
Seguacuten los resultados del comportamiento energeacutetico de la vivienda en
estudio con y sin PCM Se identificoacute un enfoque diferente e innovador para
sistemas pasivos de acondicionamiento ambiental o el aporte energeacutetico
significativo de los PCM a los sistemas activos para mantener su temperatura
constante en su operacioacuten
Una correcta ubicacioacuten del PCM a los muros exteriores de una vivienda en
estudio mostro significativamente un ahorro de energiacutea con respecto al caso
base esto se debe a la colocacioacuten del PCM en la particioacuten interna en los muros
exteriores emplazamiento de la vivienda tipo de encapsulacioacuten y orientacioacuten de
los muros con respecto al sol
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
Sin PCM PCM 22HC Inversion
Mil
es d
e p
eso
sInversion inicial y costos operativos en sistema
climatizacion
Caso 1 Sistema Calefaccion Lentildea Caso 2 Sistemas Bomba de Calor
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
El tipo de encapsulacioacuten de acuerdo al panel constructivo mostro que debe
ser macro encapsulacioacuten con materialidad de aluminio para aumentar la
conductividad teacutermica de los materiales cambio fase que era una de sus
desventajas teacutecnicas
A traveacutes de este anaacutelisis se identificoacute que material de cambio de fase se
debe seleccionar de acuerdo a la aplicacioacuten pasiva en vivienda en estudio
considerando variables de seleccioacuten como cineacuteticas fiacutesicas quiacutemicas teacutermicas
y econoacutemicas
Finalmente se observoacute que es posible maximizar la eficiencia de la
energiacutea en mantener la temperatura constante en los espacios interiores con el
aporte energeacutetico de los sistemas pasivos cuando se usa materiales cambio fase
en los muros exteriores de la vivienda en estudio Ademaacutes el PCM con
temperatura de fusioacuten cercana a la temperatura confort logra un mayor
rendimiento energeacutetico seguacuten su emplazamiento y reduce considerablemente los
costos de operacioacuten de un sistema climatizacioacuten activo aportaacutendole energiacutea
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
70
Diego Sarabia Meacutendez
CONCLUSIONES
El trabajo reciente propone un anaacutelisis de optimizacioacuten del PCM a una
vivienda en estudio como una aplicacioacuten de actualizacioacuten a sistemas pasivos y
se evaluoacute el comportamiento energeacutetico de dos sistemas activos de climatizacioacuten
mediante el uso del software EnergyPlus
En este estudio se describe la seleccioacuten de materiales de cambio fase a
utilizar la encapsulacioacuten adecuada en base a la aplicacioacuten y propiedades de
disentildeo
En el anaacutelisis del comportamiento energeacutetico de la vivienda en estudio se
observoacute que el PCM adecuado seguacuten la temperatura de fusioacuten estaacute en el rango
de 18 a 22 degC cercano a la temperatura de confort teacutermico Para este estudio se
escogioacute el PCM 22HC ya que su comportamiento es ideal para la vivienda en
estudio arrojando un 319 (de 263 kW a un 179 kW) de reduccioacuten de
potencias maacuteximas de disentildeo en climatizacioacuten De acuerdo al PCM escogido se
analizoacute el comportamiento del consumo energeacutetico en dos sistemas de
climatizacioacuten Caso 1 Sistema calefaccioacuten a lentildea mostro una reduccioacuten del
consumo energeacutetico de 341 (de 3694 kWh a un 2434 kWh) Para el segundo
caso se evaluoacute un sistema de bomba de calor multisplit al igual que en el caso
anterior el material optimo corresponde al PCM 22HC se observa una
disminucioacuten de consumo energeacutetico de un 344 (de 688 kWh a un 451 kWh) en
comparacioacuten al caso base lo que implica una notable reduccioacuten de los consumos
energeacuteticos en la estacioacuten friacutea Ademaacutes junto con los valores de consumo
energeacutetico se evaluoacute los costos de operacioacuten anual arrojando una disminucioacuten
promedio de 34 debido al aporte de los PCM
En general estos resultados sostienen firmemente que es posible mejorar
la eficiencia del ahorro energeacutetico cuando los PCM se instala en los muros
exteriores maximizando los ahorros energeacuteticos Por lo tanto para lograr la
optimizacioacuten de la envolvente de la vivienda con aplicacioacuten PCM la temperatura
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
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Diego Sarabia Meacutendez
de fusioacuten fue de 22 deg C y el macro encapsulamiento es de material de aluminio
mejorando su transmitancia teacutermica del flujo de calor en los paneles
constructivos dando como resultado una adecuada actualizacioacuten a la aplicacioacuten
y a la instalacioacuten de los PCM a la vivienda en estudio ubicada en Concepcioacuten
Chile
Los costos de implementacioacuten en la tecnologiacutea pasiva como los PCM tiene
un elevado valor debido al costo del transporte (Alemania) se podriacutea justificar
encargando por mayor estos insumos y aplicarlo a un lote de viviendas
Es importante aplicar el PCM optimizado considerando el enfoque y
variables de disentildeo como la condicioacuten climaacutetica temperatura de fusioacuten de PCM
encapsulamiento y irradiacioacuten solar
La implementacioacuten de esta tecnologiacutea demuestra que aporta en la
reduccioacuten de material particulado en zonas criacuteticas en contaminacioacuten y las
emisiones de CO2 aportando al medio ambiente
Se deberaacute tener en cuenta que las curvas de entalpia y temperatura de los
PCM tanto para refrigeracioacuten y calefaccioacuten deben ser lo maacutes cercana posible de
lo contrario se produciriacutea una histeacuteresis o subenfriamiento y afectariacutea
considerablemente el rendimiento del PCM en su aplicacioacuten
Como investigacioacuten adicional queda por explorar la optimizacioacuten de PCM
aplicado a paredes exteriores con persianas de acristalamiento o invernaderos
adosados al poseer mayor captacioacuten de energiacutea solar tendraacute un mayor
almacenamiento energeacutetico y retraso teacutermico en los muros aplicado con PCM y
obtener una segmentacioacuten de los datos climaacuteticos por zonas para investigar el
comportamiento energeacutetico en aplicaciones pasivas
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
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CAPITULO I ENUNCIADO DE LA INVESTIGACIOacuteN
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11 Planteamiento del problema
En la actualidad las necesidades energeacuteticas a nivel mundial han
aumentado de manera significativa por distintas razones Hoy en diacutea los edificios
consumen maacutes del 40 de la energiacutea primaria del mundo que son responsables
del 30 de las emisiones de gases de efecto invernadero (Thorpe 2011)
A nivel local el sector residencial es responsable de las altas demandas
energeacuteticas equivalente a 23 del consumo energeacutetico nivel paiacutes Del parque
habitacional existente en Chile 75 fue construido sin consideraciones teacutermicas
y de eficiencia energeacutetica dicha situacioacuten provoca que el usuario asuma el costo
del consumo energeacutetico para mantener la vivienda en zona confort (Wegertseder
2015)
Se estima que el sector de la construccioacuten es el responsable de generar
el 33 del total de emisiones de gases de efecto invernadero (MINVU 2018)
A traveacutes de un estudio realizado el antildeo 2019 por la Caacutemara Chilena de
la Construccioacuten sobre los usos de la energiacutea en el sector residencial declara que
el 53 del consumo total de la vivienda chilena es destinado a calefaccioacuten (CDT
2019)
Una forma eficiente de reducir el consumo de energiacutea para calefaccioacuten o
refrigeracioacuten en los espacios es aumentar la inercia teacutermica de un edificio De
esta manera las temperaturas interiores son menos sensibles a las variaciones
de la temperatura exterior y se requiere menos energiacutea para mantenerlas en el
rango de confort teacutermico Un edificio con una estructura de marco de concreto
tendraacute una mayor inercia teacutermica que un edificio con una estructura de marco de
acero o madera (Soares N Costa J J Gaspar A R amp Santos P 2013) Una
forma de aumentar la inercia teacutermica de un edificio es utilizar el almacenamiento
de calor latente (LHS) que es la energiacutea que almacena un material cuando sufre
un cambio de fase (Akeiber H Nejat P Majid M Z A Wahid M A
Jomehzadeh F Zeynali Famileh IZaki S A 2016)
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
El material de cambio de fase (PCM) es un tipo de material que
experimenta un cambio de fase en este caso de liacutequido a soacutelido a una
temperatura dentro del rango de confort teacutermico Este tipo de material tiene la
capacidad de almacenar grandes cantidades de energiacutea en comparacioacuten con los
materiales de construccioacuten tradicionales que solo almacenan calor sensible Por
ejemplo una pared que contiene PCM con 25 mm de espesor almacena
aproximadamente la misma energiacutea que una pared de concreto con 420 mm de
espesor (Al-Saadi S N amp Zhai Z 2013) Los PCM tienen un gran potencial
para aumentar la inercia teacutermica de un edificio debido a su gran LHS por lo tanto
son especialmente uacutetiles en edificios de construccioacuten livianas en seco como
estructuras reticulares en madera o acero galvanizados (Marin P Saffari M de
Gracia A Zhu X Farid M M Cabeza L F amp Ushak S 2016) Esto permite
que el edificio tenga menor peso un aacuterea uacutetil mayor y auacuten mantenga una alta
inercia teacutermica
Cuando los PCM cambian su estado de liacutequido a soacutelido liberan calor
latente y cuando cambian de soacutelido a liacutequido absorben calor latente Cuando este
proceso ocurre a una temperatura entre 19-27 degC el material contribuye a
aumentar el confort teacutermico porque ayuda a mantener la temperatura interna
dentro de este rango Durante el diacutea cuando hay demasiadas ganancias de
radiacioacuten solar este material cambia su fase de soacutelido a liacutequido absorbiendo
calor y evitando un aumento significativo de la temperatura interior Por la noche
cuando la temperatura exterior baja el material cambia su fase de liacutequido a
soacutelido liberando calor y evitando una gran disipacioacuten de energiacutea en el interior de
la vivienda (Jamil H Alam M Sanjayan J amp Wilson J 2017)
Durante el verano puede ocurrir un sobrecalentamiento en el muro y
hacer que se use un PCM que se derrita a altas temperaturas (alrededor de
26 degC) ya que evitaraacute que la temperatura de una habitacioacuten elevaacutendose por
encima del rango de confort teacutermico Si el objetivo es la estabilizacioacuten de la
temperatura interior en la zona de confort un PCM que se derrita a 23 degC deberiacutea
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
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Diego Sarabia Meacutendez
ser la mejor opcioacuten En el invierno puede ser necesario evitar que la temperatura
de una habitacioacuten baje por debajo del rango de confort teacutermico y en este caso
se recomienda un PCM que solidifique alrededor de 21 degC (Soares N Gaspar
A R Santos P amp Costa J 2014)
Esta tecnologiacutea no solo tiene el potencial de ahorrar cantidades
considerables de energiacutea y emisiones de CO2 sino que tambieacuten se puede utilizar
para aprovechar los precios pico de electricidad utilizando las unidades de aire
acondicionado cuando hay una menor demanda en la red eleacutectrica Por ejemplo
en invierno la unidad de aire acondicionado (AC) podriacutea funcionar durante la
noche produciendo calor que seriacutea absorbido por el tablero PCM y luego liberado
por eacutel durante el diacutea cuando los precios de la electricidad son mucho maacutes altos
(Devaux P amp Farid M 2017) Esto tambieacuten como la ventaja de evitar el ruido y
las corrientes de aire causadas por las unidades de CA durante las horas de
trabajo de una oficina
Aunque esta tecnologiacutea tiene un gran potencial en almacenar energiacutea
con respecto a otros materiales existe el problema de la baja transferencia de
calor porque estos materiales generalmente tienen baja conductividad teacutermica lo
que hace que la absorcioacuten y liberacioacuten de calor por parte del PCM sea mucho
maacutes difiacutecil (Fan L amp Khodadadi J M 2011)
Para aprovechar la gran capacidad de almacenamiento de calor latente
la temperatura de una zona debe estar cerca de la temperatura de cambio de
fase de lo contrario un PCM solo almacena calor sensible que es insignificante
en comparacioacuten al calor latente (Chwieduk 2013)
Investigadores concluyen sobre acondicionamiento teacutermico en
envolventes de viviendas utilizando materiales de cambio de fase que la
implementacioacuten adecuada de los PCM en una edificacioacuten puede un 35 reducir
el consumo energeacutetico y por lo tanto es posible usar equipos de
acondicionamiento teacutermico de menor potencia e incluso prescindir de ellos (Bello
R E Muntildeoz M M Vasco C 2015)
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
19
Diego Sarabia Meacutendez
En el desarrollo de aplicaciones para los PCM un investigador disentildeoacute un
muro con material de cambio de fase y para probar su funcionamiento utilizoacute dos
habitaciones ideacutenticas En la primera habitacioacuten los muros teniacutean un enlucido de
yeso normal y en la segunda habitacioacuten el muro poseiacutea una placa de yeso
revestido con micro encapsulacioacuten de PCM (50 butil estearato y 48 palmitato
de butilo) Resultoacute que la habitacioacuten con material cambio de fase una reduccioacuten
energeacutetica de 22 (Scalat S Banu D Hawes D Paris J Haghighata F
Feldman D 1996)
Los investigadores a nivel mundial han creado estrategias para
solucionar el consumo energeacutetico En Chile auacuten no se analiza en forma
sistemaacutetica considerando que seriacutea de gran ayuda para disminuir el consumo
energeacutetico residencial
Por todo lo anteriormente mencionado se establece que esta
investigacioacuten estaraacute orientada al estudio de materiales con cambio de fase
simulando su comportamiento teacutermico de una vivienda en estudio ubicada en la
ciudad de Concepcioacuten de la regioacuten del Biacuteo-Biacuteo utilizando el software Energy Plus
12 Preguntas de investigacioacuten
iquestEs posible disminuir la demanda energeacutetica de una vivienda en estudio
incorporando materiales con cambio de fase
iquestQueacute material PCM es conveniente utilizar en los muros de la vivienda en
estudio
iquestQueacute comportamiento tendraacuten los PCM en la simulacioacuten
13 Hipoacutetesis
Se puede mejorar la habitabilidad y reducir un 30 la demanda energeacutetica
de una vivienda en estudio en la ciudad de Concepcioacuten mejorando el
almacenamiento teacutermico de sus muros incorporando material con cambio de fase
(PCM)
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
20
Diego Sarabia Meacutendez
14 Objetivos
141 Objetivo general
Proponer una metodologiacutea de evaluacioacuten en funcioacuten de la realidad local
que permitiraacute analizar la potencialidad en aplicar los materiales cambio de fase
en las construcciones chilenas contribuyendo a mejorar las condiciones de
habitabilidad
142 Objetivos especiacuteficos
Identificar materiales con cambio de fase (PCM) utilizados como estrategia
de calefaccioacuten pasiva en edificacioacuten Con la validacioacuten de todos los
reglamentos en Chile
Definir el sistema constructivo del muro exterior en cuanto a la ubicacioacuten
del PCM
Definir materiales con cambio de fase en relacioacuten de sus propiedades
teacutermicas para realizar simulacioacuten energeacutetica
Definir metodologiacutea de caacutelculo y estimar ahorros energeacuteticos para la zona
en funcioacuten del material base
Obtener simulaciones de demanda energeacutetica para la vivienda en estudio
con y sin materiales de cambio de fase incorporados en sus muros
mediante el software Energy Plus
Optimizar el disentildeo de la solucioacuten constructiva con PCM en relacioacuten a los
datos de la zonificacioacuten
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
21
Diego Sarabia Meacutendez
CAPITULO II MARCO TEOacuteRICO
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
22
Diego Sarabia Meacutendez
21 Marco Teoacuterico
A continuacioacuten se nombraraacute conceptos esenciales que aborda la
investigacioacuten tales como aislacioacuten teacutermica conductividad teacutermica confort
teacutermico y Inercia teacutermica
Cabe de destacar que la inercia teacutermica juega un papel importante en los
sistemas de calefaccioacuten pasiva ya que el retraso teacutermico puede ser mayor o
menor dependiendo el espesor y materialidad
La inercia teacutermica permite ir liberando el calor acumulado en los elementos
compuestos por materiales pesados en la vivienda de manera tal que durante
la noche cuando la temperatura desciende esta baja sea amortiguada por el calor
cedido
En el verano la envolvente se encuentra expuesta a la radiacioacuten solar y al
soleamiento por lo tanto debe ser capaz de almacenar el calor obtenido desde
el exterior y asiacute evitar que la temperatura en el interior del recinto sea elevada
durante el diacutea generando una peacuterdida de confort (CCHC 2010)
22 Materiales con cambio de fase (PCM)
Un PCM es una sustancia capaz de almacenar y liberar energiacutea del medio
que le rodea manteniendo la temperatura constante durante la transferencia de
calor Este intercambio de energiacutea se denomina calor latente de un material y se
produce durante el cambio de fase del mismo El intereacutes de estos materiales es
que durante el cambio de fase la temperatura media se mantiene constante
mientras el material absorbe o libera energiacutea durante la etapa de fusioacuten o
solidificacioacuten del material Esto supone una mayor densidad energeacutetica en este
proceso respecto a un intercambio por calor sensible
En una investigacioacuten sobre PCM afirma que estos mediante su calor
latente de fusioacuten almacenan de 5 a 14 veces maacutes calor por unidad de volumen
que materiales por almacenamiento de calor sensible como el agua albantildeileriacutea
o rocas entre otras (Sharma 2009)
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
23
Diego Sarabia Meacutendez
Para la investigacioacuten se estudioacute materiales cambio fase de estado liacutequido-
solido ya que aunque la cantidad de energiacutea almacenada es inferior que entre
otros cambios de estado (solido-gas) la variacioacuten de volumen del estado es
menor
221 Funcionamiento
La mejor forma para explicar el funcionamiento de estos materiales es
estudiando el proceso de cambio de fase del agua en estado liacutequido el agua va
aumentando su temperatura progresivamente hasta alcanzar los 100degC Una vez
alcanza esta temperatura empieza su cambio de estado en el cual absorberaacute
calor pero mantendraacute una temperatura constante de 100degC hasta que finalice su
cambio de fase y todo el liacutequido se haya convertido en vapor De manera inversa
ocurre cuando la temperatura del agua disminuye hasta alcanzar los 0degC En este
caso el agua empezaraacute a liberar calor y durante este proceso mantendraacute su
temperatura constante en 0degC hasta que complete su solidificacioacuten y todo el
liacutequido se haya convertido en hielo (B Zalba J Marin L Cabeza y H Mehling
2003)
En la Figura 21 se observa coacutemo la temperatura se mantiene constante
en 0degC formando una recta horizontal durante su cambio de fase y posteriormente
en 100degC hasta que se convierte en vapor
Figura 21 Diagrama de proceso de cambio de fase Hielo ndash Vapor
Fuente (B Zalba J Marin L Cabeza y H Mehling 2003)
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
24
Diego Sarabia Meacutendez
Del mismo modo actuacutean los PCM cada uno tiene su propia temperatura
de cambio de fase y gracias a las variaciones de temperatura entre el diacutea y la
noche ocurren los ciclos de fusioacuten y solidificacioacuten de estos materiales resultando
en la absorcioacuten maacutexima de energiacutea durante el diacutea cuando las temperaturas
suben y la disipacioacuten de eacutesta en la noche cuando la temperatura ambiente baja
La energiacutea utilizada para cambiar el estado del material dado que la temperatura
de cambio de fase es aproximada a la temperatura ambiente de confort deseada
daraacute lugar a un clima interior maacutes estable y coacutemodo asiacute como tambieacuten reduciraacute
las cargas de enfriamiento y calefaccioacuten en horas pico especialmente en
aquellas edificaciones con baja masa teacutermica (S E Kalnaes and B P Jelle
2015)
222 Propiedades
A continuacioacuten se describiraacuten las propiedades maacutes relevantes que definen un
material de cambio de fase (Oroacute 2012)
a) Propiedades Termofisica
Temperatura de fusioacuten (Tf) en el rango de funcionamiento seguacuten la
aplicacioacuten
Alto calor latente de fusioacuten (ΔHf) por unidad de volumen
Alto calor especiacutefico para proporcionar calor sensible adicional
significativo
Alta conductividad teacutermica en fase soacutelida y liacutequida (buena transferencia de
calor)
Baja variacioacuten de volumen en el cambio de fase y baja presioacuten de vapor a
la temperatura de funcionamiento
Fusioacuten congruente del material de cambio de fase con cada ciclo de
solidificacioacutenfusioacuten con el miacutenimo sub-enfriamiento
Cambio de fase ciclo continuo con termino de vida uacutetil
Alta densidad
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
b) Propiedades quiacutemicas
Ciclo de solidificacioacutenfusioacuten reversible y completo
Baja degradacioacuten despueacutes de un elevado nuacutemero de ciclos de
fusioacutensolidificacioacuten
No corrosivo para los materiales encapsulados
No toacutexico no inflamable y no explosivo
c) Econoacutemicas
Abundante y disponible
Rentable en relacioacuten al ahorro energeacutetico y costos del material
Faacutecil reciclaje y tratamiento quiacutemicos
223 Almacenamiento de energiacutea teacutermica
La necesidad de almacenamiento energeacutetico y de buscar formas de
acondicionamiento pasivo es lo que inspira a la investigacioacuten a centrarse en el
almacenamiento teacutermico Es fundamental para el desarrollo del paiacutes disminuir la
demanda energeacutetica sin sacrificar el confort (PRIEN 2002)
En esta seccioacuten de la investigacioacuten se daraacute a conocer las formas de
almacenamiento teacutermico existentes y dando eacutenfasis al almacenamiento
energeacutetico por calor latente donde pertenecen los materiales de cambio fase
(PCM)
El equilibrio termodinaacutemico de los PCM se debe principalmente a los
intercambios de calor con el entorno externo El tiempo para que el PCM alcance
el nuevo equilibrio termodinaacutemico es el tiempo necesario para que el calor sea
intercambiado con el espacio a climatizar Los paraacutemetros baacutesicos de los
materiales de cambio de fase incluyen seguacuten ecuacioacuten (1)
bull Capacidad caloriacutefica [J kg]
119876 = int 119862119901119904 119889119905 + 119862119898 + int 119862119901119897 119889119905 cong 119862119901119904(119879119898 minus 1198791) + 119862119898 + 1198792
119879119898
119879119898
1198791
119862119901119897(1198792 minus 1198791)
Ec 1
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
Donde 119862119901119904 o 119862119901119897 Calor especiacutefico soacutelido y liacutequido kJ(kg times K) 119862119898 Calor
de transformacioacuten de fase (fusioacuten) kJ(kg times K) Tm - temperatura de transicioacuten
de fase (fusioacuten) T1 T2 rango de temperatura de funcionamiento de operacioacuten
224 Clasificacioacuten
Actualmente existe un gran nuacutemero de materiales cambio fase que han
sido investigados debido a que poseen una temperatura y un alto calor latente
de fusioacuten dentro del rango operacional deseado sin embargo exceptuando por
esta caracteriacutestica la mayoriacutea de estos materiales no satisfacen los otros
criterios necesarios para un medio de almacenamiento adecuado (Sharma
2009)
Aquellos que siacute responden a estas prestaciones y se encuentran disponibles en
el mercado pueden ser clasificados en tres grandes grupos orgaacutenicos
inorgaacutenicos y euteacutecticos (V Tyagi amp D Buddhi 2007)
Figura 22 Clasificacioacuten de los Materiales Cambio Fase
Fuente Elaboracioacuten Propia
Materiales Cambio Fase
Organico
Parafina Acido Graso
Inorganico
Sal Hidratada
Metalico
Eutectico
Inorganico -Inorganico
Inorganico -Organico
Organico -Organico
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
Los materiales de cambio de fase liquido-solido maacutes comunes estaacuten en el
rango de temperaturas entre 20degC y 80 degC son las ceras de parafina sales
hidratadas mezclas euteacutecticas y aacutecidos grasos
Las ceras de parafina estaacuten disponibles en el mercado pero su calor
latente (hasta 200 kJkg) es solo la mitad del de las sales hidratadas
Las sales hidratadas son maacutes econoacutemicas que las ceras de parafina y
tambieacuten estaacuten disponibles en el mercado pero tienen algunas desventajas como
las bajas temperaturas de fusioacuten o la corrosioacuten en contacto con metales
En las mezclas euteacutecticas intervienen dos componentes con punto de
fusioacuten (solidificacioacuten) maacutes bajo que el que poseen los compuestos
individualmente Esto hace que la mezcla alcance el punto de congelacioacuten maacutes
bajo posible y ambos se solidifiquen a esa temperatura euteacutectica (Ramiacuterez A
Santos A amp Gonzaacutelez N 2012)
Los PCM tienen una significativa capacidad de almacenar calor por medio
del cambio de estado pero es necesario tener en cuenta los paraacutemetros de
disentildeo del problema y las ventajas y desventajas de los diferentes tipos de
materiales para determinar cuaacuteles son los maacutes apropiados de utilizar en la
construccioacuten dependiendo de sus diferentes caracteriacutesticas y maacutes importante
aun dependiendo de si su temperatura de cambio de fase se acerca a la
temperatura de confort
2241 PCM inorgaacutenicos sales hidratadas
Seguacuten varios investigadores estos materiales fueron muy estudiados en
las primeras etapas de investigacioacuten de PCM por su bajo costo y su capacidad
de almacenamiento de grandes cantidades de calor por unidad de volumen en
comparacioacuten con las sustancias orgaacutenicas que las convierten en candidatos
idoacuteneos para sus muacuteltiples aplicaciones en el aacutembito del almacenamiento de
energiacutea
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
La buacutesqueda de sustancias con temperatura de cambio de fase proacutexima a
la temperatura ambiente no ha encontrado buenos candidatos dentro de este
grupo y las investigaciones se han dirigido maacutes hacia las sustancias orgaacutenicas
Tabla 21 Ventajas e inconvenientes de los PCM inorgaacutenicos
Ventajas Inconvenientes
Econoacutemicos Problemas en el encapsulado y preparacioacuten
del material
Elevada densidad de
almacenamiento teacutermico
Para un uso prolongado necesita de aditivos
Elevada conductividad teacutermica Son susceptibles de sub enfriamiento
(Inestables)
Temperatura de cambio de fase
claramente definida
Debido a la inestabilidad teacutermica y histeacuteresis
se debe aplicar aditivos para evitar una fusioacuten
incongruente en su aplicacioacuten donde puede
reducir su capacidad de almacenamiento de
calor latente
No inflamables Potencialmente corrosivos con algunos
metales
Reciclables y biodegradables
Fuente (Ramiacuterez A Santos A amp Gonzaacutelez N 2012)
Las sales hidratadas tienen algunas propiedades atractivas como los
elevados valores de calor latente no son inflamables y su elevado contenido
hiacutedrico significa que son baratos y muy disponibles Sin embargo sus
caracteriacutesticas de inadaptacioacuten (corrosioacuten inestabilidad dificultades de re-
solidificacioacuten y tendencia al sub enfriamiento) han implicado la realizacioacuten de
estudios hasta la actualidad para poder manejar estas desventajas y realizar su
correcta aplicacioacuten Necesitan por tanto un contenedor para utilizarlos como
aditivos de otros materiales (Ramiacuterez A Santos A amp Gonzaacutelez N 2012)
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
Tabla 22 Temperatura de fusioacuten de algunas sales hidratadas
PCM Temperatura
fusioacuten (ordmC)
Q fusioacuten (kJkg)
KFmiddot4H2O 185 231
Na2SO4middot10H2O 324 254
CaCl2middot6H2O 24ndash29 192
CaCl2middot6H2O+Nucleador+MgCl2middot6H2O 23 -
Fuente (Ramiacuterez A Santos A amp Gonzaacutelez N 2012)
En la tabla 21 se muestran algunas ventajas y desventajas de los PCM
inorgaacutenicos y en la tabla 22 se muestran las temperaturas de fusioacuten de las sales
hidratadas que permiten determinar cuaacuteles son las oacuteptimas para utilizar en
aislacioacuten (las cuales su temperatura de fusioacuten se acerca a la temperatura de
confort)
2242 PCM orgaacutenicos parafinas aacutecidos grasos y mezclas orgaacutenicas
Los PCM orgaacutenicos poseen unas caracteriacutesticas que los hacen muy uacutetiles
en su aplicacioacuten en determinados elementos constructivos para almacenamiento
de calor latente
Investigadores determinaron que son maacutes estables quiacutemicamente que las
sustancias inorgaacutenicas funden y solidifican convenientemente sin necesidad de
agentes nucleadores y no sufren sub-enfriamiento o histeacuteresis (Gawron 1981)
No obstante se ha demostrado que son maacutes compatibles y adecuados para la
adsorcioacuten en varios materiales constructivos Aunque el costo inicial en materia
prima de un PCM orgaacutenico es superior al de un inorgaacutenico su costo final es
competitivo
Sin embargo estos materiales tienen otras desventajas la maacutes
significativa es que son inflamables y que emiten gases nocivos durante su
combustioacuten Otros problemas menos extendidos son las reacciones con los
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
30
Diego Sarabia Meacutendez
productos de la hidratacioacuten en hormigoacuten (hidroacutexido de calcio) envejecimiento por
oxidacioacuten y cambios de olor
Muchos de estos inconvenientes se han eliminado Se ha visto que el
envejecimiento por oxidacioacuten de los PCM puede inhibirse utilizando un oxidante
adecuado Se estaacute investigando tambieacuten en la emisioacuten de gases y la
inflamabilidad de algunos de los PCM maacutes efectivos para establecer un radio de
ignicioacuten Tambieacuten se estaacute investigando sobre la compatibilidad de los PCM con
el hormigoacuten (Ramiacuterez A Santos A amp Gonzaacutelez N 2012)
En la tabla 23 se muestran algunas ventajas y desventajas de los PCM
orgaacutenicos y en la tabla 24 y 25 se muestran las temperaturas de fusioacuten de las
parafinas y aacutecidos grasos que permiten determinar cuaacuteles son las oacuteptimas para
utilizar en aislacioacuten (las cuales su temperatura de fusioacuten se acerca a la
temperatura de confort)
Tabla 23 Ventajas e inconvenientes de los PCM orgaacutenicos
Ventajas Inconvenientes
Faacuteciles de usar Calor latente y entalpiacutea maacutes bajos
Estabilidad teacutermica y quiacutemica Baja conductividad teacutermica
No sufren subenfriamiento Amplio rango de fusioacuten
No necesitan agente nucleador para
solidificar
Inflamables
No corrosivos Reaccioacuten potencial con hormigoacuten
Reciclables y ecoloacutegicamente inocuos Alto costo
Compatibilidad con materiales de construccioacuten convencionales
Fuente (Ramiacuterez A Santos A amp Gonzaacutelez N 2012)
Dentro de los PCM orgaacutenicos se pueden encontrar tres grupos de
sustancias diferentes parafinas aacutecidos grasos y mezclas orgaacutenicas A
continuacioacuten se presenta una pequentildea descripcioacuten de estos (Ramiacuterez A
Santos A amp Gonzaacutelez N 2012)
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
31
Diego Sarabia Meacutendez
22421 Parafinas
Las parafinas son esencialmente un alcalino solido refinado Muestran dos
rangos de enfriamiento un rango maacutes estrecho para un breve periodo de tiempo
y un rango maacutes extenso que ocurre durante un periodo maacutes amplio Ambos se
interpretan como una transicioacuten de liacutequido a amorfo-soacutelida y amorfo-solida a
cristalino-solida respectivamente Parte del calor latente total de fusioacuten se
almacena en la sustancia durante cada una de estas transiciones
Tabla 24 Temperatura de fusioacuten de algunas parafinas
PCM Temperatura fusioacuten (ordmC) Q fusioacuten (kJkg)
Hexadecano 18 236
Heptadecano 22 214
Octadecano 28 244
Parafina 20ndash60 200
RT25 25 147
Fuente (Ramiacuterez A Santos A amp Gonzaacutelez N 2012)
22422 Aacutecidos Grasos
Los aacutecidos grasos derivados de productos animales y vegetales estaacuten
constituidos por una larga cadena alifaacutetica maacutes de 12 carbonos Su cadena
alquiacutelica puede ser saturada o insaturada
En general muestran excelentes caracteriacutesticas teacutermicas (punto de fusioacuten
y congelacioacuten) El rango de temperatura de refrigeracioacuten es grande y no se
produce sub enfriamiento aunque en algunos casos se han detectado Estos
materiales sin embargo tienen elevado costo pudieacutendose utilizar en dispositivos
especiales de almacenamiento de calor o frio
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
Tabla 25 Temperatura de fusioacuten de algunos aacutecidos grasos
PCM Temperatura fusioacuten (ordmC) Q fusioacuten (kJkg)
Caacuteprico 315 158
Laacuteurico 42-44 179
Pentadecano 52 159
Miriacutestico 54 190
Palmiacutetico 63 183
Esteaacuterico 70 196
Eritrol 116-118 126
Fuente (Ramiacuterez A Santos A amp Gonzaacutelez N 2012)
2243 Mezclas euteacutecticas
Tambieacuten existen las mezclas euteacutecticas que puede ser la mezcla de 2
PCM orgaacutenicos de 2 PCM inorgaacutenicos o de un PCM Orgaacutenico maacutes un PCM
inorgaacutenico A continuacioacuten en la tabla 26 se muestra la clasificacioacuten de los PCM
Tabla 26 Clasificacioacuten de los PCMs
Tipo PCM Composicioacuten
Orgaacutenicos Compuestos de parafina
Compuestos sin parafina
Inorgaacutenicos Sales hidratadas
Metaacutelicos
Euteacutecticos Orgaacutenico-Orgaacutenico
Orgaacutenico-Inorgaacutenico
Inorgaacutenico-Inorgaacutenico
Fuente (JuarezD Balart R Ferrandiz S amp Garcia D 2012)
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
23 Criterios de seleccioacuten de los Materiales con Cambio se Fase
Es muy importante la correcta seleccioacuten del material de cambio de fase
dependiendo del campo en que se desee utilizar por lo que a continuacioacuten se
presentaran algunos criterios para seleccionar un PCM correctamente Estos
criterios son propuestos seguacuten una investigacioacuten realizada en Espantildea (Ramiacuterez
A Santos A amp Gonzaacutelez N 2012)
a) Fiacutesicas
bull La densidad del liacutequido y del solido deben ser similares y preferiblemente
elevadas para poder almacenar mayor cantidad de calor por unidad de volumen
bull Variacioacuten de volumen (en el cambio de fase) bajo
b) Cineacuteticas
bull Evitar el problema de histeacuteresis subenfriamiento o retardo al inicio de la
solidificacioacuten como ocurre en los PCM inorgaacutenicos que se produce al no ceder
el calor latente de un PCM pese a que su temperatura sea inferior al punto de
congelacioacuten
c) Quiacutemicas
bull El proceso de cambio de fase debe ser totalmente reversible y solo dependiente
de la temperatura
bull Ser quiacutemicamente estables en el tiempo evitando su descomposicioacuten y
contaminacioacuten
bull No presentar segregacioacuten de fases
bull Ser compatibles con los materiales de encapsulado y otros con los que esteacute en
contacto estabilidad quiacutemica para evitar oxidacioacuten descomposicioacuten teacutermica
hidroacutelisis corrosioacuten y otras reacciones
bull No inflamables y resistentes al fuego
d) Teacutermicas
bull La temperatura de cambio de fase debe ser adecuada a cada aplicacioacuten
particular
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
bull Presentar una temperatura de fusioacuten definida o al menos el cambio de fase
debe producirse en un valor discreto o en un pequentildeo intervalo de temperaturas
bull Poseer una gran capacidad de almacenamiento de calor sensible (calor
especiacutefico) en estado soacutelido y liacutequido y elevada entalpia de cambio de fase calor
latente
bull Poseer una alta conductividad teacutermica para facilitar la transferencia de calor
e) Econoacutemicas
bull Estar disponible en grandes cantidades a bajo costo para que sean viables
teacutecnica y econoacutemicamente
bull Tener un razonable ciclo de vida uacutetil de acuerdo con su costo
24 Vida uacutetil del material cambio fase
El tiempo de vida uacutetil de un PCM viene determinado por la cantidad de
ciclos teacutermicos que es capaz de soportar un material manteniendo su estabilidad
teacutermica El PCM es sometido a repetidos ciclos de calentamiento y enfriamiento
en los que el material cambia de fase de soacutelido a liacutequido y posteriormente vuelve
a cambiar de fase de liacutequido a soacutelido Se miden sus propiedades teacutermicas en
temperaturas fusioacuten y entalpias obteniendo el nuacutemero de ciclos en los que las
propiedades teacutermicas del material no variacutean de forma considerable
Tras realizar una exhaustiva buacutesqueda existe muy poca bibliografiacutea
acerca de la degradacioacuten teacutermica de los PCM y la determinacioacuten de su tiempo de
uso especialmente en aplicaciones para edificacioacuten donde la vida uacutetil del material
debe ser elevada
Aunque es complicado conocer la vida uacutetil real de estos materiales y en
queacute momento dejan de conservar sus propiedades adecuadas para las
aplicaciones a las que se destina existen algunos artiacuteculos basados en
experimentos realizados en laboratorios de materiales sometidos a ciclos
teacutermicos acelerados para determinar si en un nuacutemero de ciclos el material
mantiene sus propiedades teacutermicas intactas (temperaturas fusioacuten y entalpias)
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
Algunos materiales son sometidos a 50 100 1000 o hasta 5000 ciclos teacutermicos
Pero el problema es determinar si ese maacuteximo de 5000 ciclos es suficiente para
asegurar que un material seguiraacute cumpliendo su funcioacuten Hasta el momento no
se ha encontrado en la literatura ninguna investigacioacuten donde se ensaye el
material un nuacutemero suficiente de ciclos hasta la peacuterdida de sus propiedades
teacutermicas para poder conocer su vida uacutetil o el nuacutemero de ciclos que es capaz de
soportar el PCM hasta su degradacioacuten
Por todo lo anteriormente expuesto en esta investigacioacuten se ha
considerado la vida uacutetil del material como el mayor nuacutemero de ciclos soportados
por un material obtenidos a partir de los estudios realizados por diferentes autores
en la literatura o fabricante a pesar de no haber llegado a degradarse en su
totalidad
25 Aplicacioacuten en la construccioacuten
El sector de la construccioacuten es el que maacutes beneficios puede obtener de la
utilizacioacuten de materiales con cambio de fase (PCM) ya que tiene importantes
beneficios en ahorro energeacutetico reducir la contaminacioacuten de CO2 y optimizar la
inercia teacutermica en las edificaciones con el objetivo de mejorar la habitabilidad de
los usuarios
La temperatura interior en un edificio depende de las condiciones
exteriores interiores y de las caracteriacutesticas teacutermicas de la edificacioacuten como la
capacidad teacutermica de los materiales que tiene un efecto como el mostrado en la
figura 23 el cual no considera un sistema activo en su anaacutelisis
Figura 23 Estabilizacioacuten de la temperatura interior por el efecto inercia teacutermica
Fuente (M Kenisarin amp K Mahkamov 2007)
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
36
Diego Sarabia Meacutendez
Actualmente la mayoriacutea de los materiales de construccioacuten son livianos lo
que trae como consecuencia una baja capacidad caloriacutefica La introduccioacuten de
materiales de cambio de fase puede aumentar la inercia teacutermica del edificio sin
aumentar mucho su peso Sin embargo es necesario disponer de aacuterea de
transferencia de calor suficiente para liberar esa energiacutea (Dincer I amp Rosen M
2002) y es imprescindible que se pueda descargar el material por medio de la
ventilacioacuten durante la noche para prevenir el sobrecalentamiento en los
elementos con PCM (M Kenisarin amp K Mahkamov 2007)
La Figura 24 muestra una comparacioacuten entre el espesor de material
requerido para obtener la misma capacidad teacutermica que la obtenida con un
centiacutemetro de PCM
Figura 24 Espesor requerido de distintos materiales Vs Energiacutea teacutermica
Fuente (M Kenisarin amp K Mahkamov 2007)
Las caracteriacutesticas requeridas para el empleo de materiales de cambio de
fase en la edificacioacuten son
0 5 10 15 20 25 30 35 40
Yeso
Madera
Hormigon
Ceramico
Ladrillo
PCM
Espesor (cm)
H (
kJK
g)
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
37
Diego Sarabia Meacutendez
Temperatura de cambio de fase entre 12 y 25ordmC
Alta estabilidad a los ciclos de cambio de fases debido a la larga vida uacutetil
de los edificios
No corrosivos para reducir el riesgo de fuga de su contenedor y evitar
dantildeos en la estructura del edificio
Considerar la inflamabilidad al fuego y dar soluciones constructivas de
acuerdo a la normativa
Econoacutemicamente viable en funcioacuten de los costos de implementacioacuten y
ahorro energeacuteticos
Una limitacioacuten de los PCM para su aplicacioacuten en la construccioacuten es la
estacionalidad pues el PCM debe ser seleccionado para aplicaciones en
calefaccioacuten pasiva Esta limitacioacuten reduce los beneficios teacutermicos el ahorro
energeacutetico y su viabilidad econoacutemica Investigadores estudiaron un concepto de
doble capa de PCM para que funcionara durante todo el antildeo (A Pasupathy L
Athanasius R Velraj amp RV Seeniraj 2008)
26 Encapsulacioacuten
Uno de los criterios que ha limitado el uso generalizado de los PCM es la
incompatibilidad entre estos materiales y sus contenedores afectando su
estabilidad a largo plazo degradado sus propiedades y provocando la corrosioacuten
de sus recipientes de embalaje Como respuesta a estos inconvenientes han
surgido diferentes teacutecnicas de encapsulacioacuten de los PCM las cuales ofrecen
unas ventajas significativas tales como
Aumento del aacuterea de transferencia de calor
Reduccioacuten de la reactividad hacia el ambiente exterior
Control de los cambios en el volumen eacutestos ocurren dentro de la capsula
No hay absorcioacuten de humedad
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
Los meacutetodos de encapsulacioacuten clasificados de acuerdo a su tamantildeo
pueden ser de dos tipos micro y macro encapsulados (Lane 1986)
261 Microcaacutepsulas
Una investigacioacuten menciona que la micro encapsulacioacuten podriacutea definirse
como el proceso de rodear o envolver una sustancia en otra sustancia a escala
muy reducida produciendo caacutepsulas que van desde 1 μm a 1000 μm de diaacutemetro
Los tres estados de la materia (soacutelidos liacutequidos y gases) pueden ser micro
encapsulado
El material de la membrana exterior debe ser compatible con el PCM y a
su vez ser capaz de hacer frente a la tensioacuten mecaacutenica sobre las paredes del
recipiente provocada por las variaciones de volumen durante el cambio de fase
(S E Kalnaeligs amp B P Jelle 2015)
Por lo general los PCM micro-encapsulados se encuentran
comercialmente disponibles en dos formatos dispersioacuten fluida donde las
caacutepsulas son dispersadas en agua o en polvo en mezclas en seco
La figura 25 muestra en teacuterminos practico la conformacioacuten de la
envolvente de poliacutemero en una cera PCM dimensionando el tamantildeo en ellas
Figura 25 Microcaacutepsulas
Fuente (S E Kalnaes and B P Jelle 2015)
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
39
Diego Sarabia Meacutendez
262 Macrocaacutepsulas
La macro-encapsulacioacuten hace referencia a PCM encapsulados en
cualquier tipo de recipiente tal como tubos esferas o paneles que pueden ser
incorporados en materiales de construccioacuten o que actuacutean como intercambiadores
de calor por siacute mismos El tamantildeo de estos contenedores es por lo general maacutes
de 1 cm3 almacenando desde varios mililitros hasta varios litros La tecnologiacutea
de macro encapsulacioacuten emplea un proceso de encapsulacioacuten de doble capa
creando una caacutepsula con una configuracioacuten en forma de matriz La principal
ventaja de los envases plaacutesticos es la disponibilidad en el mercado y la facilidad
de producirlos en una gran variedad de formas y con pocas restricciones
geomeacutetricas Ademaacutes son compatibles con la mayoriacutea de PCM incluyendo las
sales hidratadas por lo general no presentan degradacioacuten aunque algunos
materiales orgaacutenicos pueden llegar a suavizarlos (S E Kalnaes and B P Jelle
2015)
El PCM se encuentra confinado por la encapsulacioacuten evitaraacute cambios
volumeacutetricos importantes lo que evita varios riesgos y garantiza la integridad del
componente en el que se insertan las caacutepsulas La barrera polimeacuterica puede ser
de otros materiales por ejemplo como aluminio ya que mejora la compatibilidad
con otros materiales de construccioacuten y evita la corrosioacuten Este tipo de aplicacioacuten
es de faacutecil manejo una clara ventaja de este proceso en relacioacuten a los meacutetodos
de impregnacioacuten e inmersioacuten del iacutetem anterior
Figura 26 Caacutepsulas de macro PCM (Contenedor plano Esfera Placas de
barra doble y placas de aluminio)
Fuente (S E Kalnaeligs amp B P Jelle 2015)
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
CAPITULO III MEacuteTODOS Y METODOLOGIacuteA
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
41
Diego Sarabia Meacutendez
En este estudio la evaluacioacuten se centra en el anaacutelisis de optimizacioacuten de
la aplicacioacuten PCM a los muros exteriores y dimensionamiento del rendimiento
teacutermico de una vivienda en estudio
Los modelos generados en el software Energy Plus se ingresoacute valores de
los sistemas constructivos de la vivienda en estudio condiciones climaacuteticas
caracterizacioacuten PCM en muros exteriores y caracterizacioacuten macro encapsulacioacuten
de acuerdo con las directrices (DOE 2016) se explica en las siguientes secciones
del capiacutetulo
31 Herramienta de simulacioacuten de energiacutea
Para evaluar los PCM de comportamiento teacutermico variable de la vivienda
en estudio con y sin PCM se utilizoacute el software EnergyPlus v 87
En teacuterminos generales el software puede evaluar una variedad de caacutelculos
destacados como los caacutelculos de puentes teacutermicos HVAC integrado y
simulaciones de carga de construccioacuten confort teacutermico y materiales con
conductividad teacutermica variable como el PCM (DB Crawley LK Lawrie FC
Winkelmann WF Buhl YJ Huang amp CO Pedersen 2001) Ademaacutes hay
muchas opciones para la conveccioacuten de la superficie interior y exterior
algoritmos infiltracioacuten avanzada e ventilacioacuten energiacutea desarrollada costos del
ciclo de vida algoritmos avanzados de confort teacutermico como como la calidad del
aire interior y el confort teacutermico para los ocupantes (DB Crawley JW Hand M
Kummert amp BT Griffith 2008)
Para analizar el comportamiento teacutermico variable de los PCM en estudio
se utilizoacute el algoritmo de diferencia finita de conduccioacuten (CondFD) Este algoritmo
modela la transferencia de calor en presencia de PCM y junto con la ecuacioacuten (2)
discretiza la envolvente del edificio en varios nodos para resolver numeacutericamente
la transferencia de calor en el software se puede escoger ecuaciones por un
esquema totalmente impliacutecito y el Crank-Nicolson que es semi-impliacutecito (KO
Lee 2016)
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
En esta investigacioacuten se utiliza un esquema Crank-Nicolson para simular
PCM para un material homogeacuteneo con espaciado uniforme de nodos como se
muestra en la ecuacioacuten (2) (3) y (4) extraiacutedo del manual del software
EnergyPlus (DOE 2016)
119862119901120588∆119909119879119894
119895+1minus 119879119894
119895
∆119905= (119896119908
119879119894+1119895+1
minus 119879119894119895+1
∆119909+ 119896119864
119879119894minus1119895+1
minus 119879119894119895+1
∆119909+ 119896119908
119879119894+1119895
minus 119879119894119895
∆119909+ 119896119864
119879119894minus1119895
minus 119879119894119895
∆119909)
Ec 2
∆119909 = radic119888120572∆119905 Ec 3
Donde Cp y ρ son el calor especiacutefico y la densidad del material Δ119909 es el
espesor de capa de diferencia finita Δ119905 es el paso de tiempo 119879 es la temperatura
de un nodo 119894 119894 + 1 y 119894 minus 1 son los nodos adyacentes al interior y exterior
respectivamente de una capa de material 119895 y 119895 + 1 son los pasos de tiempo
anterior y nuevo 119896119908 y 119896119864 representan las conductividades teacutermicas 119896119908 =
119896119894+1119895+1
+119896119894119895+1
2 y 119896119864 =
119896119894minus1119895+1
+119896119894119895+1
2 120572 es la difusividad teacutermica del material y 119888 es la
constante de discretizacioacuten del espacio que puede definir el usuario (3 es el valor
predeterminado para esta constante seguacuten manual)
Esta investigacioacuten considera el uso de paneles PCM por lo tanto el
algoritmo CondFD ecuacioacuten (2) debe combinarse con una funcioacuten de temperatura
de entalpiacutea ℎ = ℎ (119879) estos datos en la funcioacuten se obtendraacuten de acuerdo al estudio
bibliograacutefico El algoritmo usa esta funcioacuten para actualizar el calor especiacutefico
equivalente (119862119901) en cada paso de tiempo como se muestra en la ecuacioacuten (4)
lowast 119862119901(119879) =ℎ119894
119895minus ℎ119894
119895minus1
119879119894119895
minus 119879119894119895minus1
Ec 4
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
32 Descripcioacuten Vivienda en estudio
En este apartado se define los sistemas constructivos de la vivienda en
estudio con y sin PCM para obtener la liacutenea base de comparacioacuten
En la figura 31 se muestra el disentildeo de vivienda en estudio de 56 m2 y
los espacios interiores con su distribucioacuten de aacutereas veacutease en la tabla 31 esta
vivienda se configuro de acuerdo a las soluciones constructivas acreditadas
(MINVU Soluciones constructivas acreditadas al fuego teacutermico y acuacutestico
2020)
Las caracteriacutesticas de la envolvente de la vivienda en estudio cuentan con
la configuracioacuten miacutenima de la reglamentacioacuten teacutermica que actualmente rige en
Chile estaacute establecida en la Ordenanza General de Urbanismo y Construcciones
en su artiacuteculo 4110 y en una zonificacioacuten del paiacutes en zonas teacutermicas seguacuten
grados-diacutea especificados en el manual de aislamiento teacutermico (MINVU Manual
de aplicacioacuten y reglamentacoacuten teacutermica 2017) Los complejos de techumbres
muros perimetrales y pisos inferiores ventilados entendidos como elementos que
constituyen la envolvente de la vivienda deberaacuten tener una transmitancia teacutermica
ldquoUrdquo igual o menor o una resistencia teacutermica total ldquoRtrdquo igual o superior a la
sentildealada para la zona que le corresponda al proyecto de arquitectura de acuerdo
con los planos de zonificacioacuten teacutermica corresponde a zona 4 y se verifica lo
anteriormente expuesto en la tabla 32 cabe sentildealar que los valores de
transmitancia teacutermica se extrajeron de acuerdo a las ecuaciones de balance
teacutermico que estaacute incorporado en el software
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
Figura 31 Descripcioacuten Vivienda en estudio
Elaboracioacuten Propia - Software Revit
A continuacioacuten se muestra las dimensiones que tiene cada espacio de las
dos torres del edificio en las siguientes tablas
Tabla 31 Resumen superficies de los distintos espacios vivienda en estudio
Torre A
Lugar Superficie (119950120784) Altura (m)
Dormitorio Primario 8 24
Dormitorio Secundario 7 24
Cocina 9 24
Living - Comedor 28 24
Bantildeo 3 24
TOTAL 56
Fuente Elaboracioacuten Propia
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
Tabla 32 Cumplimiento de la envolvente elementos constructivos de la vivienda en estudio
Elemento Materiales (exterior al
interior)
Espesor (m)
Transmitencia teacutermica Valor U (Wm2K)
Transmitencia teacutermica exigida Valor U (Wm2K)
Muro Exterior
Siding
Fibrocemento
0006
0672
17
Plancha OSB 0009
Entramado
madera pino 2x3
0075
Lana de vidrio 005
Caacutemara no
ventilada
(Ubicacioacuten del
PCM)
0026
Placa yeso cartoacuten 0015
Muro Interior
Placa yeso cartoacuten 0015
0677
17
Entramado
madera pino 2x2
0075
Lana de vidrio 005
Placa yeso cartoacuten 0015
Techumbre
Plancha Zincalum 0035
0316
038
Fieltro 0005
Plancha OSB 0009
Entramado madera pino 2x2
0075
Lana de Vidrio 005
Placa yeso cartoacuten 00125
Piso en contacto
con el terreno
Radier Hormigoacuten 02 17 No aplica
Fuente Elaboracioacuten Propia
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
Para integrar el PCM con la vivienda en estudio se configuro las
propiedades teacutecnicas y la ubicacioacuten optima interna del PCM al panel externo
constructivo donde se administroacute en el modelo de simulacioacuten veacutease en la Figura
313 y figura 38
321 Meacutetodo de zona en software EnergyPlus
El modelo de construccioacuten creado se utilizoacute el meacutetodo de zona donde
todas las zonas fueron modeladas con informacioacuten completa en construccioacuten
ocupacioacuten equipamiento y HVAC
Al iniciar el modelo se elige la ubicacioacuten y el tipo de anaacutelisis Despueacutes se
debe ingresar un nombre al sitio y a cada zona Ademaacutes se puede asignar varios
edificios bajo el mismo sitio cada uno con su propio nombre Una vez definido lo
anterior se genera bloque que generalmente representa un piso o nivel planta
para este estudio se genera bloque de acuerdo a la figura 32
Figura 32 Modelo de zona en casa de estudio
Fuente Elaboracioacuten Propia
La fase de zonificacioacuten separa las diferentes zonas teacutermicas Para el
modelo cada suite se considera una zona El meacutetodo de zona permite asignar
diferentes horarios operativos a cada zona Cada una de las paredes de cada
bloque se llama superficie y ventanas o puertas como sub-superficies o
aberturas La vivienda se muestra parcialmente en la Figura 33
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
Figura 33 Zona y sub-superficie de vivienda en estudio
Fuente Elaboracioacuten Propia
El software da la posibilidad de elegir los materiales utilizados en la
construccioacuten de la vivienda a traveacutes de sus bibliotecas de materiales o pueden
ser creados por el usuario y los materiales elegidos son asignado a las partes
especificadas de la vivienda Estos pasos se repitieron en todos los pisos para
completar todo el modelo de construccioacuten
33 Datos meteoroloacutegicos
El modelo de simulacioacuten se mantuvo en base a los datos meteoroloacutegicos
con formato EPW en Energy plus se definioacute la ubicacioacuten Concepcioacuten Chile Con
el objetivo de evaluar el rendimiento teacutermico y analizar la optimizacioacuten de la
posicioacuten del PCM al muro exterior de la vivienda en estudio Las configuraciones
de los datos meteoroloacutegicos se muestran en la Figura 34
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
Figura 34 Configuracioacuten datos meteoroloacutegico
Fuente Elaboracioacuten Propia
34 Jornadas de ocupacioacuten
Para realizar la simulacioacuten energeacutetica se deben definir una serie de
planillas de ocupacioacuten de los recintos uso de luminaria y equipos En estas
planillas de ocupacioacuten se define el ciclo horario para todos los diacuteas del antildeo
Esto se realiza con la finalidad de establecer los periodos en los que
influyen los distintos tipos de cargas internas en la vivienda
A continuacioacuten se adjunta a modo de ejemplo la figura 35 en la cual se
puede ver el menuacute de configuracioacuten de las plantillas de ocupacioacuten
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
Figura 35 Planilla de uso horario de un recinto
Fuente Elaboracioacuten propia
35 Configuracioacuten envolvente por elemento y sistemas de climatizacioacuten
Definidos las zonas y multi zonas del modelo se deberaacute configurar los
sistemas constructivos en sus propiedades teacutermicas y dimensiones El software
automaacuteticamente genera el caacutelculo de transmitancia teacutermica anaacutelisis de
condensacioacuten y dimensioacuten en imagen por elemento Veacutease en la figura 36
Para configurar el sistema de climatizacioacuten primero se debe definir los
rangos de temperatura confort teacutermico en la pestantildea de actividades del software
Veacutease figura 37 A continuacioacuten se define el tipo de sistema de climatizacioacuten
definiendo las horas de operacioacuten tipo combustible y rendimiento del sistema
como se muestra en la figura 38
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
Figura 36 Planilla configuracioacuten envolvente por elemento
Fuente Elaboracioacuten propia
Figura 37 Planilla configuracioacuten rango de temperatura confort teacutermico
Fuente Elaboracioacuten propia
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
Figura 38 Planilla configuracioacuten del tipo de sistema de climatizacioacuten
Fuente Elaboracioacuten propia
36 Caracterizacioacuten PCM
En este estudio se utilizoacute placas PCM tipo orgaacutenico de parafina tiene una
relacioacuten de mezcla de n-octadecano a n-heptadecano seleccionado debido a la
eficiencia energeacutetica con temperatura cercana al confort teacutermico (12ndash26 deg C)
basado en ISO 13790 (KO Lee 2016)
Seguacuten el estado de arte existente se definioacute los tres materiales de cambio
de fase los cuales son candidatos idoacuteneos para utilizar en esta investigacioacuten
Estos materiales han sido estudiados por diversos autores con el fin de obtener
sus propiedades termofiacutesicas y usarlas en la edificacioacuten La razoacuten de utilizar estos
materiales es debido a sus propiedades teacutermicas y el que su temperatura de
fusioacuten es cercana a la temperatura de confort
Ademaacutes la vida uacutetil del PCM es de 13 antildeos seguacuten su ciclo de cambio
fase considerando 365 cambios fase anual el cual se justifica con los costos de
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
52
Diego Sarabia Meacutendez
inversioacuten al implementar esta tecnologiacutea dependiendo de la magnitud del flujo
de calor el cuaacutel se quiere operar
Las especificaciones teacutecnicas de las placas PCM y el comportamiento de
temperaturas y entalpias de operacioacuten se describen en la tabla 33 las cuales se
vinculan con el algoritmo CondFD de la ecuacioacuten (2) para evaluar su rendimiento
energeacutetico en la vivienda en estudio
361 Seleccioacuten de Materiales Cambio Fase
Tabla 33 Especificaciones teacutecnicas de PCM a utilizar
Caracteriacutesticas RT18HC
Valores Unidades Grafica entalpia y Temperatura
Temperatura de Fusioacuten
18
degC
Almacenamiento de calor
260 [kJkg]
Capacidad calor especifico
2 [kJkgK]
Densidad solido (a los 15degC)
088 [kgl]
Densidad solido (a los 25degC)
077 [kgl]
Conductividad teacutermica
(Ambas fases)
02 [W(mK)]
Expansioacuten de Volumen
125
Maacutexima temperatura operacioacuten
50 degC
Ciclo Cambio fase
5000 -
Caracteriacutesticas RT21HC
Valores Unidades Grafica entalpia y Temperatura
Temperatura de Fusioacuten
21
degC
Almacenamiento de calor
155 [kJkg]
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
53
Diego Sarabia Meacutendez
Capacidad calor especifico
2 [kJkgK]
Densidad solido (a los 15degC)
088 [kgl]
Densidad solido (a los 25degC)
077 [kgl]
Conductividad teacutermica
(Ambas fases)
02 [W(mK)]
Expansioacuten de Volumen
12
Maacutexima temperatura operacioacuten
45 degC
Ciclo Cambio fase
5000 -
Caracteriacutesticas RT22HC
Valores Unidades Grafica entalpia y Temperatura
Temperatura de Fusioacuten
22
degC
Almacenamiento de calor
190 [kJkg]
Capacidad calor especifico
2 [kJkgK]
Densidad solido (a los 15degC)
076 [kgl]
Densidad solido (a los 25degC)
070 [kgl]
Conductividad teacutermica
(Ambas fases)
02 [W(mK)]
Expansioacuten de Volumen
125
Maacutexima temperatura operacioacuten
50 degC
Ciclo Cambio fase
5000 -
Fuente (Rubitherm 2020)
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
362 Configuracioacuten del PCM en EnergyPlus
De acuerdo al estudio bibliograacutefico de los materiales cambio fase para
ingresar los datos al software se debe definir las cantidades de temperatura de
operacioacuten identificar el punto de fusioacuten en las graacuteficas de entalpia y temperatura
de la tabla 33 conductividad teacutermica calor especifico densidades y espesor en
el elemento constructivo con el fin de determinar el flujo de calor de operacioacuten
de acuerdo al balance termodinaacutemico de la ecuacioacuten (2) A continuacioacuten se
adjunta a modo de ejemplo la figura 39 en la cual se puede ver el menuacute de
configuracioacuten
Figura 39 Configuracioacuten del PCM en el software
Fuente Elaboracioacuten Propia
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
55
Diego Sarabia Meacutendez
363 Cotizacioacuten PCM RT21
La inversioacuten total del material cambio fase es de $1106679
correspondiente a 160 kg con transporte incluido Se observa que el costo de
transporte afecta considerablemente en su valor (Alemania)
Se realizoacute cotizacioacuten del material RT21 en la empresa alemana Rubitherm
se presenta en la figura 310
Figura 310 Cotizacioacuten del material RT21
Fuente (Rubitherm 2020)
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
37 Caracterizacioacuten Macro encapsulacioacuten
En esta seccioacuten la placa de macro encapsulacioacuten utilizada para el PCM
es de materialidad de aluminio veacutease figura 311 esto aumenta la transferencia
de calor en los PCM Son dos placas que estaacuten unidas entre siacute Se unen en dos
puntos centrados y se pegan en sus marcos Pueden ser utilizados para PCM
(orgaacutenico - inorgaacutenico) Por lo tanto se puede ofrecer un rango de temperatura
para una variedad de aplicaciones El grosor depende del volumen de llenado y
por lo tanto de la capacidad de almacenamiento Para el estudio se seleccionoacute
el modelo CSM105 Rubitherm el cual su espesor es de 15 mm y puede
almacenar 2 Kg de PCM por placa
Figura 311 Modulo Almacenamiento Macro encapsulacioacuten de aluminio
Fuente (Rubitherm 2020)
371 Cotizacioacuten Macro encapsulacioacuten
La inversioacuten total de la Macro encapsulacioacuten de aluminio modelo CSM105
Rubitherm es de $ 4326306 correspondiente a 150 unidades con transporte
incluido Se observa que el costo de transporte afecta considerablemente en su
valor (Alemania) Se realizoacute cotizacioacuten de los elementos de Macro encapsulacioacuten
de aluminio modelo CSM105 Rubitherm se presenta en la figura 312
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Figura 312 Cotizacioacuten Macro encapsulacioacuten
Fuente (Rubitherm 2020)
38 Validacioacuten muro constructivo con PCM
De acuerdo a los estudios del estado de arte y conocimientos teacutecnicos se
validoacute el sistema constructivo propuesto del muro exterior en el cumplimiento de
resistencia al fuego de acuerdo al cataacutelogo de soluciones constructivas del
MINVU y de la Ordenanza General de Urbanismo y Construcciones (OGUC)
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
58
Diego Sarabia Meacutendez
381 Cumplimiento de la OGUC y Resistencia al fuego
Dentro de las exigencias a cumplir por la OGUC se tiene la resistencia
al fuego en elementos constructivos seguacuten el tipo de recinto Para el caso del
muro de la vivienda en estudio se hace el siguiente anaacutelisis
De la tabla Ndeg34 seguacuten ldquodestino del edificiordquo ldquosuperficie edificada (m2)rdquo y
ldquonuacutemero de pisosrdquo se obtiene una clasificacioacuten (a b c y d) seguacuten corresponda
En el caso de estudio se tiene una vivienda de 1 piso por lo que el destino
es ldquoHabitacionalrdquo y por nuacutemero de pisos se establece una clasificacioacuten ldquodrdquo
Tabla 34 Clasificacioacuten de los edificios seguacuten su destino superficie edificada y
nuacutemero de pisos Destino del Edificio Superficie Edificada (m2) Nuacutemeros de Pisos
1 2 3 4 5 6 7 o mas
Habitacional Cualquiera d d c c b a a
Hoteles Sobre 5000 c b a a a a a
Sobre 1500 y hasta 5000 c b b b a a a
Sobre 500 y hasta 1500 c c b b a a a
Hasta 500 d c b b a a a
Oficinas Sobre 1500 c c b b b a a
Sobre 500 y hasta 1500 c c c b b b a
Hasta 500 d c c b b b a
Museos Sobre 1500 c c b b b a a
Sobre 500 y hasta 1500 c c c b b b a
Hasta 500 d c c b b b a
Clinica Hospitales y Lab Sobre 1000 c b b a a a a
Hasta 1000 c c b b a a a
Policlinicos Sobre 400 c c b b b b a
Hasta 400 d c c b b b a
Restaurante Sobre 500 b a a a a a a
Sobre 250 y hasta 500 c b b a a a a
Hasta 250 d c c b b a a
Locales Comerciales Sobre 500 c b b a a a a
Sobre 200 y hasta 500 c c b b a a
Hasta 200 d c b b b a a
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
Bibliotecas Sobre 1500 b b a a a a a
Sobre 500 y hasta 1500 b b b a a a a
Sobre 250 y hasta 500 c b b b a a a
Hasta 250 d c b b a a a
Automotoras Cualquiera d c c b b b a
Edificio Estacionamiento Cualquiera d c c c b b a
Fuente (MINVU Soluciones constructivas acreditadas al fuego teacutermico y
acuacutestico 2020)
Para lograr obtener la resistencia al fuego necesaria se debe utilizar
ademaacutes la tabla 34 la cual utilizo como criterios la clasificacioacuten obtenida de la
tabla 35 y el tipo de elemento constructivo
Tabla 35 Resistencia al fuego para diferentes elementos de construccioacuten Elementos de Construccioacuten
Tipo (1) (2) (3) (4) (5) (6) (7) (8) (9)
A F-180 F-120 F-120 F-120 F-120 F-30 F-60 F-120 F-60
B F-150 F-120 F-90 F-90 F-90 F-15 F-30 F-90 F-60
C F-120 F-90 F-60 F-60 F-60 - F-15 F-60 F-30
D F-120 F-60 F-60 F-60 F-30 - - F-30 F-15
Fuente (MINVU Soluciones constructivas acreditadas al fuego teacutermico y
acuacutestico 2020) Simbologiacutea
Elementos verticales
(1) Muros cortafuego
(2) Muros zona vertical de seguridad y caja de escalera
(3) Muros caja de ascensores
(4) Muros divisorios entre unidades (hasta la cubierta)
(5) Elementos soportantes verticales
(6) Muros no soportantes y tabiques
Elementos verticales y horizontales
(7) Escaleras
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
Elementos Horizontales
(8) Elementos soportantes horizontales
(9) Techumbre incluido cielo falso
Para el caso de los muros que dan al exterior de la vivienda en estudio se
considera en la categoriacutea (5) y seguacuten la clasificacioacuten obtenida de la tabla 35 (d)
se tiene un grado de resistencia al fuego F-30
Para cumplir con esta exigencia se utiliza una solucioacuten del cataacutelogo de
soluciones constructivas del MINVU la cual se presenta a continuacioacuten
Tabla 36 Tabique perimetral estructura madera en vivienda en estudio
A233014 Tabique Estructura Madera Volcanita 15 mm RF Placa
OSB 9 mm Siding Volcan 6 mm Aislanglas R122 50 mm
Elemento estaacute formado por una estructura de madera hecha con listones de pino
radiata de 2rdquo x 3rdquo en bruto Consta de 5 pie-derechos distanciados entre ejes
cada 06 m dos cadenetas distanciadas entre ejes cada 08 m una solera inferior
y otra superior Esta estructuracioacuten esta forrada por una de sus caras con una
plancha de yeso-cartoacuten ldquoVolcanita RFrdquo de 15 mm de espesor La otra cara esta
forrada con una placa de madera OSB de 9 mm de espesor y como terminacioacuten
en esta cara lleva unas fajas horizontales de fibrocemento ldquoSiding Volcanrdquo tipo
tinglado de 190 mm de ancho y 6 mm de espesor Todo el conjunto esta
atornillado a la estructura de madera Esta conformacioacuten deja espacios libres en
el interior del panel estaacuten rellenos con una manta de lana de vidrio tipo rollo libre
R122 de 50 mm de espesor de densidad media aparente de 14 kgm3 Las
dimensiones para el ensayo fue 22 de ancho x 24 de alto y 105 mm de espesor
INSTITUCION Ndeg Informe Lab Fecha Resistencia Inscripcioacuten
Volcaacuten SA 374721 IDIEM 26-06-96 F-30 2015
Fuente (MINVU Soluciones constructivas acreditadas al fuego teacutermico y
acuacutestico 2020)
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
Otra de las exigencias por parte de la OGUC es el cumplimiento de la
reglamentacioacuten teacutermica mostrado en la tabla 32 para esto se compara las
transmitancias teacutermicas exigidas con las envolventes de los elementos
constructivos de la vivienda en estudio Para el caso del muro donde se
incorporaraacute el PCM se seleccionoacute de acuerdo al listado de soluciones
constructivas del MINVU para validar la resistencia al fuego En la figura 313 se
visualiza las componentes de la envolvente del muro con PCM
Figura 313 Sistema Constructivo Muro exterior con PCM en vivienda estudio
Fuente Elaboracioacuten Propia
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
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CAPITULO IV RESULTADOS Y DISCUSIOacuteN
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
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Diego Sarabia Meacutendez
En este segmento se evaluoacute el comportamiento energeacutetico de los
materiales cambio fase mediante el software Energy Plus Los materiales cambio
fase se produce dentro de placas de macro encapsulacioacuten de aluminio al interior
de los muros exteriores
Por lo tanto se observoacute el aporte energeacutetico de los materiales cambio fase
en un sistema activo de calefaccioacuten optimizando los sistemas constructivos en
la vivienda en estudio y dar respuesta a su aplicacioacuten en acondicionamiento
ambiental
41 Comportamiento Energeacuteticos de los materiales cambio fase
A continuacioacuten se comparoacute el comportamiento energeacutetico de dos sistemas
de climatizacioacuten con el aporte energeacutetico pasivo de los distintos materiales
cambio fase en una vivienda en estudio
411 Rendimiento energeacutetico de calefaccioacuten con y sin PCM
Para evaluar el comportamiento energeacutetico se definioacute la temperatura de
fusioacuten de los PCM en el rango de 18 a 22degC el aporte energeacutetico de los PCM
ayudo a mantener constante la temperatura confort de 21degC en la vivienda y
reducir los consumos energeacuteticos del sistema activo para este estudio se
escogioacute dos sistemas de climatizacioacuten caso 1 calefaccioacuten a lentildea con un η=07 y
caso 2 Climatizacioacuten por bomba de calor η=27 esta seleccioacuten se debe a que el
sistema de calefaccioacuten a lentildea es el maacutes usado en la zona genera una alta
contaminacioacuten ambiental por su combustioacuten en material particulado es el
combustible maacutes econoacutemico por unidad de energiacutea y su inversioacuten es accesible
en cambio los equipos de bomba calor tienen un mayor rendimiento energeacutetico
tiene menos impacto al medio ambiente y su inversioacuten es costosa
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
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Diego Sarabia Meacutendez
La figura 41 (a) muestra las potencias maacuteximas de disentildeo en
climatizacioacuten comparando la liacutenea base con la implementacioacuten de materiales
PCM en vivienda en estudio ubicado en Concepcioacuten Chile A traveacutes de este
anaacutelisis se identificoacute una disminucioacuten en su potencia de disentildeo de 319 (de
263 kW a un 179 kW) con respecto al caso base
Figura 41 (a) Potencia maacutexima disentildeo con y sin PCM en vivienda estudio
Fuente Elaboracioacuten Propia
En la figura 41 (b) y (c) se realizoacute la comparacioacuten de distintos tipos de
materiales PCM con un rango de temperatura de fusioacuten entre 18 degC a 22degC para
determinar cuaacutel es maacutes eficiente en funcioacuten de las variables de disentildeo
emplazamientos y propiedades teacutermicas
Para el primer caso se evaluoacute el sistema de calefaccioacuten a lentildea y el rol
clave de estos materiales PCM es reducir el consumo energeacutetico y el kgCO2
generado por la combustioacuten En los resultados se visualizoacute que el material cambio
fase optimo corresponde al PCM 22HC arrojando una reduccioacuten del consumo
energeacutetico de 341 (de 3694 kWh a un 2434 kWh) en comparacioacuten al caso base
CocinaDormitorioSecundario
DormitorioPrimario
Living-Comedor
Bantildeo
Sin PCM 03 037 047 129 02
Con PCM 017 027 033 087 015
0
02
04
06
08
1
12
14
Dem
ada
En
erge
tica
(k
W)
Potencia Maxima de Disentildeo
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Para el segundo caso se evaluoacute un sistema de bomba de calor multisplit
al igual que en el caso anterior el material optimo corresponde al PCM 22HC se
observoacute una disminucioacuten de consumo energeacutetico de un 344 (de 688 kWh a un
451 kWh) en comparacioacuten al caso base
Para ambos casos se observoacute una notable reduccioacuten de los consumos
energeacuteticos en estacioacuten friacutea
Figura 41 (b) Caso 1 - Consumo energeacutetico en calefaccioacuten Lentildea con y sin
PCM en vivienda estudio
Fuente Elaboracioacuten Propia
Ene Feb Mar Abr May Jun Jul Ago Sept Oct Nov Dic
Sin PCM 75 79 138 267 477 604 626 498 408 271 147 104
PCM 18 37 34 73 188 424 579 602 440 347 185 85 60
PCM 21 31 27 64 167 397 547 570 405 313 161 71 53
PCM 22 13 11 39 138 354 506 528 357 275 130 49 34
0
200
400
600
800
1000
Co
nsu
mo
Co
mb
ust
ible
(k
Wh
)
Consumo Combustible Lentildea Mensual
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Figura 41 (c) Caso 2 - Consumo energeacutetico Bomba de calor con y sin PCM en
vivienda estudio
Fuente Elaboracioacuten Propia
Se identificoacute que la temperatura de fusioacuten maacutes baja de los PCM no es
viable en la optimizacioacuten del sistema pasivo en climatizacioacuten podriacutea ser explicado
por las variables temperatura exteriores dependiendo de las condiciones
climaacuteticas por su emplazamiento Por ejemplo de acuerdo con las cargas
maacuteximas de calefaccioacuten se debe a que la energiacutea en invierno aumento
estableciendo las temperaturas de confort teacutermico esta es una variable de
seleccioacuten del PCM que serviraacute para optimizar el disentildeo en funcioacuten del confort
teacutermico disminuyendo demanda energeacutetica perdidas caloriacuteficas y consumos
energeacuteticos de sistemas de calefaccioacuten activos
Seguacuten el estado de arte otro punto importante a comentar es tener en
cuenta que las curvas de entalpia y temperatura tanto para refrigeracioacuten y
calefaccioacuten deben ser lo maacutes cercana posible de lo contrario se produciriacutea una
Ene Feb Mar Abr May Jun Jul Ago Sept Oct Nov Dic
Sin PCM 14 15 26 50 89 112 116 92 78 50 27 19
PCM 18 7 6 14 35 79 107 112 82 64 34 16 11
PCM 21 57 5 12 31 74 101 106 75 58 30 13 10
PCM 22 23 2 72 256 66 936 976 662 511 24 9 63
0
20
40
60
80
100
120
Co
nsu
mo
Co
mb
ust
ible
(k
Wh
)Consumo Combustible Bomba de calor Mensual
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histeacuteresis o sub enfriamiento y afectariacutea considerablemente el rendimiento del
PCM en su aplicacioacuten
Para la implementacioacuten de sistemas activos sustentables en climatizacioacuten
se demuestra en el estudio que el aporte energeacutetico de los PCM es mantener la
temperatura constante dentro de los espacios interiores y ayudan tambieacuten a bajar
considerablemente los consumos energeacuteticos y es un aporte al medio ambiente
Para sistemas pasivos la eficiencia en los PCM en los muros exteriores
podriacutea incrementarse sugiriendo que haya acristalamiento a base de muros
cortina durante el diacutea lleva al PCM al proceso de cambio de fase de manera
estable en el tiempo debido a su almacenamiento teacutermico (F Ascione RF De
Masi F de Rossi S Ruggiero amp GP Vanoli 2016)
Ademaacutes la disminucioacuten de un 319 en potencia maacutexima de disentildeo para
equipos de climatizacioacuten arrojado en este estudio y un promedio de 33 en
reduccioacuten en consumo energeacutetico en los dos casos de climatizacioacuten propuestos
se puede inferir que los materiales cambio fase es capaz de contribuir a eficiencia
energeacutetica
412 Inversioacuten inicial y costos operativos en sistemas de calefaccioacuten con y sin PCM
Se hizo un anaacutelisis de los principales costos asociados a la adquisicioacuten de
los equipos y operacioacuten de eacutestos No se consideraraacute valor residual o de
salvamiento Para poder comparar la vida uacutetil a usar seraacute de 10 antildeos
Al obtener los valores de consumos energeacuteticos en las simulaciones de
los casos propuestos se visualiza una aproximacioacuten en demostrar el beneficio
econoacutemico que aporta los PCM a los sistemas activos Vease en figura 42
En el caso 1 sistema de calefaccioacuten a lentildea se observoacute una disminucioacuten
en los costos de operacioacuten anual de un 341 (de $88656 a un $58416)
($ 24 por kWh) (BES 2017) y en el caso 2 sistema de climatizacioacuten por bomba
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calor se observoacute una disminucioacuten en los costos de operacioacuten anual de un 344
(de $72928 a un $47795) ($ 106 por kWh) (BES 2017)
Figura 42 Inversioacuten inicial y costos operativos sistema climatizacioacuten con y sin
PCM en vivienda estudio
Fuente Elaboracioacuten Propia
42 Propuesta de aplicacioacuten PCM a caso base como sistema de actualizacioacuten
Seguacuten los resultados del comportamiento energeacutetico de la vivienda en
estudio con y sin PCM Se identificoacute un enfoque diferente e innovador para
sistemas pasivos de acondicionamiento ambiental o el aporte energeacutetico
significativo de los PCM a los sistemas activos para mantener su temperatura
constante en su operacioacuten
Una correcta ubicacioacuten del PCM a los muros exteriores de una vivienda en
estudio mostro significativamente un ahorro de energiacutea con respecto al caso
base esto se debe a la colocacioacuten del PCM en la particioacuten interna en los muros
exteriores emplazamiento de la vivienda tipo de encapsulacioacuten y orientacioacuten de
los muros con respecto al sol
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
Sin PCM PCM 22HC Inversion
Mil
es d
e p
eso
sInversion inicial y costos operativos en sistema
climatizacion
Caso 1 Sistema Calefaccion Lentildea Caso 2 Sistemas Bomba de Calor
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El tipo de encapsulacioacuten de acuerdo al panel constructivo mostro que debe
ser macro encapsulacioacuten con materialidad de aluminio para aumentar la
conductividad teacutermica de los materiales cambio fase que era una de sus
desventajas teacutecnicas
A traveacutes de este anaacutelisis se identificoacute que material de cambio de fase se
debe seleccionar de acuerdo a la aplicacioacuten pasiva en vivienda en estudio
considerando variables de seleccioacuten como cineacuteticas fiacutesicas quiacutemicas teacutermicas
y econoacutemicas
Finalmente se observoacute que es posible maximizar la eficiencia de la
energiacutea en mantener la temperatura constante en los espacios interiores con el
aporte energeacutetico de los sistemas pasivos cuando se usa materiales cambio fase
en los muros exteriores de la vivienda en estudio Ademaacutes el PCM con
temperatura de fusioacuten cercana a la temperatura confort logra un mayor
rendimiento energeacutetico seguacuten su emplazamiento y reduce considerablemente los
costos de operacioacuten de un sistema climatizacioacuten activo aportaacutendole energiacutea
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
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CONCLUSIONES
El trabajo reciente propone un anaacutelisis de optimizacioacuten del PCM a una
vivienda en estudio como una aplicacioacuten de actualizacioacuten a sistemas pasivos y
se evaluoacute el comportamiento energeacutetico de dos sistemas activos de climatizacioacuten
mediante el uso del software EnergyPlus
En este estudio se describe la seleccioacuten de materiales de cambio fase a
utilizar la encapsulacioacuten adecuada en base a la aplicacioacuten y propiedades de
disentildeo
En el anaacutelisis del comportamiento energeacutetico de la vivienda en estudio se
observoacute que el PCM adecuado seguacuten la temperatura de fusioacuten estaacute en el rango
de 18 a 22 degC cercano a la temperatura de confort teacutermico Para este estudio se
escogioacute el PCM 22HC ya que su comportamiento es ideal para la vivienda en
estudio arrojando un 319 (de 263 kW a un 179 kW) de reduccioacuten de
potencias maacuteximas de disentildeo en climatizacioacuten De acuerdo al PCM escogido se
analizoacute el comportamiento del consumo energeacutetico en dos sistemas de
climatizacioacuten Caso 1 Sistema calefaccioacuten a lentildea mostro una reduccioacuten del
consumo energeacutetico de 341 (de 3694 kWh a un 2434 kWh) Para el segundo
caso se evaluoacute un sistema de bomba de calor multisplit al igual que en el caso
anterior el material optimo corresponde al PCM 22HC se observa una
disminucioacuten de consumo energeacutetico de un 344 (de 688 kWh a un 451 kWh) en
comparacioacuten al caso base lo que implica una notable reduccioacuten de los consumos
energeacuteticos en la estacioacuten friacutea Ademaacutes junto con los valores de consumo
energeacutetico se evaluoacute los costos de operacioacuten anual arrojando una disminucioacuten
promedio de 34 debido al aporte de los PCM
En general estos resultados sostienen firmemente que es posible mejorar
la eficiencia del ahorro energeacutetico cuando los PCM se instala en los muros
exteriores maximizando los ahorros energeacuteticos Por lo tanto para lograr la
optimizacioacuten de la envolvente de la vivienda con aplicacioacuten PCM la temperatura
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de fusioacuten fue de 22 deg C y el macro encapsulamiento es de material de aluminio
mejorando su transmitancia teacutermica del flujo de calor en los paneles
constructivos dando como resultado una adecuada actualizacioacuten a la aplicacioacuten
y a la instalacioacuten de los PCM a la vivienda en estudio ubicada en Concepcioacuten
Chile
Los costos de implementacioacuten en la tecnologiacutea pasiva como los PCM tiene
un elevado valor debido al costo del transporte (Alemania) se podriacutea justificar
encargando por mayor estos insumos y aplicarlo a un lote de viviendas
Es importante aplicar el PCM optimizado considerando el enfoque y
variables de disentildeo como la condicioacuten climaacutetica temperatura de fusioacuten de PCM
encapsulamiento y irradiacioacuten solar
La implementacioacuten de esta tecnologiacutea demuestra que aporta en la
reduccioacuten de material particulado en zonas criacuteticas en contaminacioacuten y las
emisiones de CO2 aportando al medio ambiente
Se deberaacute tener en cuenta que las curvas de entalpia y temperatura de los
PCM tanto para refrigeracioacuten y calefaccioacuten deben ser lo maacutes cercana posible de
lo contrario se produciriacutea una histeacuteresis o subenfriamiento y afectariacutea
considerablemente el rendimiento del PCM en su aplicacioacuten
Como investigacioacuten adicional queda por explorar la optimizacioacuten de PCM
aplicado a paredes exteriores con persianas de acristalamiento o invernaderos
adosados al poseer mayor captacioacuten de energiacutea solar tendraacute un mayor
almacenamiento energeacutetico y retraso teacutermico en los muros aplicado con PCM y
obtener una segmentacioacuten de los datos climaacuteticos por zonas para investigar el
comportamiento energeacutetico en aplicaciones pasivas
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
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ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
16
Diego Sarabia Meacutendez
11 Planteamiento del problema
En la actualidad las necesidades energeacuteticas a nivel mundial han
aumentado de manera significativa por distintas razones Hoy en diacutea los edificios
consumen maacutes del 40 de la energiacutea primaria del mundo que son responsables
del 30 de las emisiones de gases de efecto invernadero (Thorpe 2011)
A nivel local el sector residencial es responsable de las altas demandas
energeacuteticas equivalente a 23 del consumo energeacutetico nivel paiacutes Del parque
habitacional existente en Chile 75 fue construido sin consideraciones teacutermicas
y de eficiencia energeacutetica dicha situacioacuten provoca que el usuario asuma el costo
del consumo energeacutetico para mantener la vivienda en zona confort (Wegertseder
2015)
Se estima que el sector de la construccioacuten es el responsable de generar
el 33 del total de emisiones de gases de efecto invernadero (MINVU 2018)
A traveacutes de un estudio realizado el antildeo 2019 por la Caacutemara Chilena de
la Construccioacuten sobre los usos de la energiacutea en el sector residencial declara que
el 53 del consumo total de la vivienda chilena es destinado a calefaccioacuten (CDT
2019)
Una forma eficiente de reducir el consumo de energiacutea para calefaccioacuten o
refrigeracioacuten en los espacios es aumentar la inercia teacutermica de un edificio De
esta manera las temperaturas interiores son menos sensibles a las variaciones
de la temperatura exterior y se requiere menos energiacutea para mantenerlas en el
rango de confort teacutermico Un edificio con una estructura de marco de concreto
tendraacute una mayor inercia teacutermica que un edificio con una estructura de marco de
acero o madera (Soares N Costa J J Gaspar A R amp Santos P 2013) Una
forma de aumentar la inercia teacutermica de un edificio es utilizar el almacenamiento
de calor latente (LHS) que es la energiacutea que almacena un material cuando sufre
un cambio de fase (Akeiber H Nejat P Majid M Z A Wahid M A
Jomehzadeh F Zeynali Famileh IZaki S A 2016)
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
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Diego Sarabia Meacutendez
El material de cambio de fase (PCM) es un tipo de material que
experimenta un cambio de fase en este caso de liacutequido a soacutelido a una
temperatura dentro del rango de confort teacutermico Este tipo de material tiene la
capacidad de almacenar grandes cantidades de energiacutea en comparacioacuten con los
materiales de construccioacuten tradicionales que solo almacenan calor sensible Por
ejemplo una pared que contiene PCM con 25 mm de espesor almacena
aproximadamente la misma energiacutea que una pared de concreto con 420 mm de
espesor (Al-Saadi S N amp Zhai Z 2013) Los PCM tienen un gran potencial
para aumentar la inercia teacutermica de un edificio debido a su gran LHS por lo tanto
son especialmente uacutetiles en edificios de construccioacuten livianas en seco como
estructuras reticulares en madera o acero galvanizados (Marin P Saffari M de
Gracia A Zhu X Farid M M Cabeza L F amp Ushak S 2016) Esto permite
que el edificio tenga menor peso un aacuterea uacutetil mayor y auacuten mantenga una alta
inercia teacutermica
Cuando los PCM cambian su estado de liacutequido a soacutelido liberan calor
latente y cuando cambian de soacutelido a liacutequido absorben calor latente Cuando este
proceso ocurre a una temperatura entre 19-27 degC el material contribuye a
aumentar el confort teacutermico porque ayuda a mantener la temperatura interna
dentro de este rango Durante el diacutea cuando hay demasiadas ganancias de
radiacioacuten solar este material cambia su fase de soacutelido a liacutequido absorbiendo
calor y evitando un aumento significativo de la temperatura interior Por la noche
cuando la temperatura exterior baja el material cambia su fase de liacutequido a
soacutelido liberando calor y evitando una gran disipacioacuten de energiacutea en el interior de
la vivienda (Jamil H Alam M Sanjayan J amp Wilson J 2017)
Durante el verano puede ocurrir un sobrecalentamiento en el muro y
hacer que se use un PCM que se derrita a altas temperaturas (alrededor de
26 degC) ya que evitaraacute que la temperatura de una habitacioacuten elevaacutendose por
encima del rango de confort teacutermico Si el objetivo es la estabilizacioacuten de la
temperatura interior en la zona de confort un PCM que se derrita a 23 degC deberiacutea
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
18
Diego Sarabia Meacutendez
ser la mejor opcioacuten En el invierno puede ser necesario evitar que la temperatura
de una habitacioacuten baje por debajo del rango de confort teacutermico y en este caso
se recomienda un PCM que solidifique alrededor de 21 degC (Soares N Gaspar
A R Santos P amp Costa J 2014)
Esta tecnologiacutea no solo tiene el potencial de ahorrar cantidades
considerables de energiacutea y emisiones de CO2 sino que tambieacuten se puede utilizar
para aprovechar los precios pico de electricidad utilizando las unidades de aire
acondicionado cuando hay una menor demanda en la red eleacutectrica Por ejemplo
en invierno la unidad de aire acondicionado (AC) podriacutea funcionar durante la
noche produciendo calor que seriacutea absorbido por el tablero PCM y luego liberado
por eacutel durante el diacutea cuando los precios de la electricidad son mucho maacutes altos
(Devaux P amp Farid M 2017) Esto tambieacuten como la ventaja de evitar el ruido y
las corrientes de aire causadas por las unidades de CA durante las horas de
trabajo de una oficina
Aunque esta tecnologiacutea tiene un gran potencial en almacenar energiacutea
con respecto a otros materiales existe el problema de la baja transferencia de
calor porque estos materiales generalmente tienen baja conductividad teacutermica lo
que hace que la absorcioacuten y liberacioacuten de calor por parte del PCM sea mucho
maacutes difiacutecil (Fan L amp Khodadadi J M 2011)
Para aprovechar la gran capacidad de almacenamiento de calor latente
la temperatura de una zona debe estar cerca de la temperatura de cambio de
fase de lo contrario un PCM solo almacena calor sensible que es insignificante
en comparacioacuten al calor latente (Chwieduk 2013)
Investigadores concluyen sobre acondicionamiento teacutermico en
envolventes de viviendas utilizando materiales de cambio de fase que la
implementacioacuten adecuada de los PCM en una edificacioacuten puede un 35 reducir
el consumo energeacutetico y por lo tanto es posible usar equipos de
acondicionamiento teacutermico de menor potencia e incluso prescindir de ellos (Bello
R E Muntildeoz M M Vasco C 2015)
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
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Diego Sarabia Meacutendez
En el desarrollo de aplicaciones para los PCM un investigador disentildeoacute un
muro con material de cambio de fase y para probar su funcionamiento utilizoacute dos
habitaciones ideacutenticas En la primera habitacioacuten los muros teniacutean un enlucido de
yeso normal y en la segunda habitacioacuten el muro poseiacutea una placa de yeso
revestido con micro encapsulacioacuten de PCM (50 butil estearato y 48 palmitato
de butilo) Resultoacute que la habitacioacuten con material cambio de fase una reduccioacuten
energeacutetica de 22 (Scalat S Banu D Hawes D Paris J Haghighata F
Feldman D 1996)
Los investigadores a nivel mundial han creado estrategias para
solucionar el consumo energeacutetico En Chile auacuten no se analiza en forma
sistemaacutetica considerando que seriacutea de gran ayuda para disminuir el consumo
energeacutetico residencial
Por todo lo anteriormente mencionado se establece que esta
investigacioacuten estaraacute orientada al estudio de materiales con cambio de fase
simulando su comportamiento teacutermico de una vivienda en estudio ubicada en la
ciudad de Concepcioacuten de la regioacuten del Biacuteo-Biacuteo utilizando el software Energy Plus
12 Preguntas de investigacioacuten
iquestEs posible disminuir la demanda energeacutetica de una vivienda en estudio
incorporando materiales con cambio de fase
iquestQueacute material PCM es conveniente utilizar en los muros de la vivienda en
estudio
iquestQueacute comportamiento tendraacuten los PCM en la simulacioacuten
13 Hipoacutetesis
Se puede mejorar la habitabilidad y reducir un 30 la demanda energeacutetica
de una vivienda en estudio en la ciudad de Concepcioacuten mejorando el
almacenamiento teacutermico de sus muros incorporando material con cambio de fase
(PCM)
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teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
14 Objetivos
141 Objetivo general
Proponer una metodologiacutea de evaluacioacuten en funcioacuten de la realidad local
que permitiraacute analizar la potencialidad en aplicar los materiales cambio de fase
en las construcciones chilenas contribuyendo a mejorar las condiciones de
habitabilidad
142 Objetivos especiacuteficos
Identificar materiales con cambio de fase (PCM) utilizados como estrategia
de calefaccioacuten pasiva en edificacioacuten Con la validacioacuten de todos los
reglamentos en Chile
Definir el sistema constructivo del muro exterior en cuanto a la ubicacioacuten
del PCM
Definir materiales con cambio de fase en relacioacuten de sus propiedades
teacutermicas para realizar simulacioacuten energeacutetica
Definir metodologiacutea de caacutelculo y estimar ahorros energeacuteticos para la zona
en funcioacuten del material base
Obtener simulaciones de demanda energeacutetica para la vivienda en estudio
con y sin materiales de cambio de fase incorporados en sus muros
mediante el software Energy Plus
Optimizar el disentildeo de la solucioacuten constructiva con PCM en relacioacuten a los
datos de la zonificacioacuten
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
CAPITULO II MARCO TEOacuteRICO
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
22
Diego Sarabia Meacutendez
21 Marco Teoacuterico
A continuacioacuten se nombraraacute conceptos esenciales que aborda la
investigacioacuten tales como aislacioacuten teacutermica conductividad teacutermica confort
teacutermico y Inercia teacutermica
Cabe de destacar que la inercia teacutermica juega un papel importante en los
sistemas de calefaccioacuten pasiva ya que el retraso teacutermico puede ser mayor o
menor dependiendo el espesor y materialidad
La inercia teacutermica permite ir liberando el calor acumulado en los elementos
compuestos por materiales pesados en la vivienda de manera tal que durante
la noche cuando la temperatura desciende esta baja sea amortiguada por el calor
cedido
En el verano la envolvente se encuentra expuesta a la radiacioacuten solar y al
soleamiento por lo tanto debe ser capaz de almacenar el calor obtenido desde
el exterior y asiacute evitar que la temperatura en el interior del recinto sea elevada
durante el diacutea generando una peacuterdida de confort (CCHC 2010)
22 Materiales con cambio de fase (PCM)
Un PCM es una sustancia capaz de almacenar y liberar energiacutea del medio
que le rodea manteniendo la temperatura constante durante la transferencia de
calor Este intercambio de energiacutea se denomina calor latente de un material y se
produce durante el cambio de fase del mismo El intereacutes de estos materiales es
que durante el cambio de fase la temperatura media se mantiene constante
mientras el material absorbe o libera energiacutea durante la etapa de fusioacuten o
solidificacioacuten del material Esto supone una mayor densidad energeacutetica en este
proceso respecto a un intercambio por calor sensible
En una investigacioacuten sobre PCM afirma que estos mediante su calor
latente de fusioacuten almacenan de 5 a 14 veces maacutes calor por unidad de volumen
que materiales por almacenamiento de calor sensible como el agua albantildeileriacutea
o rocas entre otras (Sharma 2009)
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
Para la investigacioacuten se estudioacute materiales cambio fase de estado liacutequido-
solido ya que aunque la cantidad de energiacutea almacenada es inferior que entre
otros cambios de estado (solido-gas) la variacioacuten de volumen del estado es
menor
221 Funcionamiento
La mejor forma para explicar el funcionamiento de estos materiales es
estudiando el proceso de cambio de fase del agua en estado liacutequido el agua va
aumentando su temperatura progresivamente hasta alcanzar los 100degC Una vez
alcanza esta temperatura empieza su cambio de estado en el cual absorberaacute
calor pero mantendraacute una temperatura constante de 100degC hasta que finalice su
cambio de fase y todo el liacutequido se haya convertido en vapor De manera inversa
ocurre cuando la temperatura del agua disminuye hasta alcanzar los 0degC En este
caso el agua empezaraacute a liberar calor y durante este proceso mantendraacute su
temperatura constante en 0degC hasta que complete su solidificacioacuten y todo el
liacutequido se haya convertido en hielo (B Zalba J Marin L Cabeza y H Mehling
2003)
En la Figura 21 se observa coacutemo la temperatura se mantiene constante
en 0degC formando una recta horizontal durante su cambio de fase y posteriormente
en 100degC hasta que se convierte en vapor
Figura 21 Diagrama de proceso de cambio de fase Hielo ndash Vapor
Fuente (B Zalba J Marin L Cabeza y H Mehling 2003)
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
Del mismo modo actuacutean los PCM cada uno tiene su propia temperatura
de cambio de fase y gracias a las variaciones de temperatura entre el diacutea y la
noche ocurren los ciclos de fusioacuten y solidificacioacuten de estos materiales resultando
en la absorcioacuten maacutexima de energiacutea durante el diacutea cuando las temperaturas
suben y la disipacioacuten de eacutesta en la noche cuando la temperatura ambiente baja
La energiacutea utilizada para cambiar el estado del material dado que la temperatura
de cambio de fase es aproximada a la temperatura ambiente de confort deseada
daraacute lugar a un clima interior maacutes estable y coacutemodo asiacute como tambieacuten reduciraacute
las cargas de enfriamiento y calefaccioacuten en horas pico especialmente en
aquellas edificaciones con baja masa teacutermica (S E Kalnaes and B P Jelle
2015)
222 Propiedades
A continuacioacuten se describiraacuten las propiedades maacutes relevantes que definen un
material de cambio de fase (Oroacute 2012)
a) Propiedades Termofisica
Temperatura de fusioacuten (Tf) en el rango de funcionamiento seguacuten la
aplicacioacuten
Alto calor latente de fusioacuten (ΔHf) por unidad de volumen
Alto calor especiacutefico para proporcionar calor sensible adicional
significativo
Alta conductividad teacutermica en fase soacutelida y liacutequida (buena transferencia de
calor)
Baja variacioacuten de volumen en el cambio de fase y baja presioacuten de vapor a
la temperatura de funcionamiento
Fusioacuten congruente del material de cambio de fase con cada ciclo de
solidificacioacutenfusioacuten con el miacutenimo sub-enfriamiento
Cambio de fase ciclo continuo con termino de vida uacutetil
Alta densidad
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
b) Propiedades quiacutemicas
Ciclo de solidificacioacutenfusioacuten reversible y completo
Baja degradacioacuten despueacutes de un elevado nuacutemero de ciclos de
fusioacutensolidificacioacuten
No corrosivo para los materiales encapsulados
No toacutexico no inflamable y no explosivo
c) Econoacutemicas
Abundante y disponible
Rentable en relacioacuten al ahorro energeacutetico y costos del material
Faacutecil reciclaje y tratamiento quiacutemicos
223 Almacenamiento de energiacutea teacutermica
La necesidad de almacenamiento energeacutetico y de buscar formas de
acondicionamiento pasivo es lo que inspira a la investigacioacuten a centrarse en el
almacenamiento teacutermico Es fundamental para el desarrollo del paiacutes disminuir la
demanda energeacutetica sin sacrificar el confort (PRIEN 2002)
En esta seccioacuten de la investigacioacuten se daraacute a conocer las formas de
almacenamiento teacutermico existentes y dando eacutenfasis al almacenamiento
energeacutetico por calor latente donde pertenecen los materiales de cambio fase
(PCM)
El equilibrio termodinaacutemico de los PCM se debe principalmente a los
intercambios de calor con el entorno externo El tiempo para que el PCM alcance
el nuevo equilibrio termodinaacutemico es el tiempo necesario para que el calor sea
intercambiado con el espacio a climatizar Los paraacutemetros baacutesicos de los
materiales de cambio de fase incluyen seguacuten ecuacioacuten (1)
bull Capacidad caloriacutefica [J kg]
119876 = int 119862119901119904 119889119905 + 119862119898 + int 119862119901119897 119889119905 cong 119862119901119904(119879119898 minus 1198791) + 119862119898 + 1198792
119879119898
119879119898
1198791
119862119901119897(1198792 minus 1198791)
Ec 1
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
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Donde 119862119901119904 o 119862119901119897 Calor especiacutefico soacutelido y liacutequido kJ(kg times K) 119862119898 Calor
de transformacioacuten de fase (fusioacuten) kJ(kg times K) Tm - temperatura de transicioacuten
de fase (fusioacuten) T1 T2 rango de temperatura de funcionamiento de operacioacuten
224 Clasificacioacuten
Actualmente existe un gran nuacutemero de materiales cambio fase que han
sido investigados debido a que poseen una temperatura y un alto calor latente
de fusioacuten dentro del rango operacional deseado sin embargo exceptuando por
esta caracteriacutestica la mayoriacutea de estos materiales no satisfacen los otros
criterios necesarios para un medio de almacenamiento adecuado (Sharma
2009)
Aquellos que siacute responden a estas prestaciones y se encuentran disponibles en
el mercado pueden ser clasificados en tres grandes grupos orgaacutenicos
inorgaacutenicos y euteacutecticos (V Tyagi amp D Buddhi 2007)
Figura 22 Clasificacioacuten de los Materiales Cambio Fase
Fuente Elaboracioacuten Propia
Materiales Cambio Fase
Organico
Parafina Acido Graso
Inorganico
Sal Hidratada
Metalico
Eutectico
Inorganico -Inorganico
Inorganico -Organico
Organico -Organico
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Los materiales de cambio de fase liquido-solido maacutes comunes estaacuten en el
rango de temperaturas entre 20degC y 80 degC son las ceras de parafina sales
hidratadas mezclas euteacutecticas y aacutecidos grasos
Las ceras de parafina estaacuten disponibles en el mercado pero su calor
latente (hasta 200 kJkg) es solo la mitad del de las sales hidratadas
Las sales hidratadas son maacutes econoacutemicas que las ceras de parafina y
tambieacuten estaacuten disponibles en el mercado pero tienen algunas desventajas como
las bajas temperaturas de fusioacuten o la corrosioacuten en contacto con metales
En las mezclas euteacutecticas intervienen dos componentes con punto de
fusioacuten (solidificacioacuten) maacutes bajo que el que poseen los compuestos
individualmente Esto hace que la mezcla alcance el punto de congelacioacuten maacutes
bajo posible y ambos se solidifiquen a esa temperatura euteacutectica (Ramiacuterez A
Santos A amp Gonzaacutelez N 2012)
Los PCM tienen una significativa capacidad de almacenar calor por medio
del cambio de estado pero es necesario tener en cuenta los paraacutemetros de
disentildeo del problema y las ventajas y desventajas de los diferentes tipos de
materiales para determinar cuaacuteles son los maacutes apropiados de utilizar en la
construccioacuten dependiendo de sus diferentes caracteriacutesticas y maacutes importante
aun dependiendo de si su temperatura de cambio de fase se acerca a la
temperatura de confort
2241 PCM inorgaacutenicos sales hidratadas
Seguacuten varios investigadores estos materiales fueron muy estudiados en
las primeras etapas de investigacioacuten de PCM por su bajo costo y su capacidad
de almacenamiento de grandes cantidades de calor por unidad de volumen en
comparacioacuten con las sustancias orgaacutenicas que las convierten en candidatos
idoacuteneos para sus muacuteltiples aplicaciones en el aacutembito del almacenamiento de
energiacutea
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
La buacutesqueda de sustancias con temperatura de cambio de fase proacutexima a
la temperatura ambiente no ha encontrado buenos candidatos dentro de este
grupo y las investigaciones se han dirigido maacutes hacia las sustancias orgaacutenicas
Tabla 21 Ventajas e inconvenientes de los PCM inorgaacutenicos
Ventajas Inconvenientes
Econoacutemicos Problemas en el encapsulado y preparacioacuten
del material
Elevada densidad de
almacenamiento teacutermico
Para un uso prolongado necesita de aditivos
Elevada conductividad teacutermica Son susceptibles de sub enfriamiento
(Inestables)
Temperatura de cambio de fase
claramente definida
Debido a la inestabilidad teacutermica y histeacuteresis
se debe aplicar aditivos para evitar una fusioacuten
incongruente en su aplicacioacuten donde puede
reducir su capacidad de almacenamiento de
calor latente
No inflamables Potencialmente corrosivos con algunos
metales
Reciclables y biodegradables
Fuente (Ramiacuterez A Santos A amp Gonzaacutelez N 2012)
Las sales hidratadas tienen algunas propiedades atractivas como los
elevados valores de calor latente no son inflamables y su elevado contenido
hiacutedrico significa que son baratos y muy disponibles Sin embargo sus
caracteriacutesticas de inadaptacioacuten (corrosioacuten inestabilidad dificultades de re-
solidificacioacuten y tendencia al sub enfriamiento) han implicado la realizacioacuten de
estudios hasta la actualidad para poder manejar estas desventajas y realizar su
correcta aplicacioacuten Necesitan por tanto un contenedor para utilizarlos como
aditivos de otros materiales (Ramiacuterez A Santos A amp Gonzaacutelez N 2012)
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
Tabla 22 Temperatura de fusioacuten de algunas sales hidratadas
PCM Temperatura
fusioacuten (ordmC)
Q fusioacuten (kJkg)
KFmiddot4H2O 185 231
Na2SO4middot10H2O 324 254
CaCl2middot6H2O 24ndash29 192
CaCl2middot6H2O+Nucleador+MgCl2middot6H2O 23 -
Fuente (Ramiacuterez A Santos A amp Gonzaacutelez N 2012)
En la tabla 21 se muestran algunas ventajas y desventajas de los PCM
inorgaacutenicos y en la tabla 22 se muestran las temperaturas de fusioacuten de las sales
hidratadas que permiten determinar cuaacuteles son las oacuteptimas para utilizar en
aislacioacuten (las cuales su temperatura de fusioacuten se acerca a la temperatura de
confort)
2242 PCM orgaacutenicos parafinas aacutecidos grasos y mezclas orgaacutenicas
Los PCM orgaacutenicos poseen unas caracteriacutesticas que los hacen muy uacutetiles
en su aplicacioacuten en determinados elementos constructivos para almacenamiento
de calor latente
Investigadores determinaron que son maacutes estables quiacutemicamente que las
sustancias inorgaacutenicas funden y solidifican convenientemente sin necesidad de
agentes nucleadores y no sufren sub-enfriamiento o histeacuteresis (Gawron 1981)
No obstante se ha demostrado que son maacutes compatibles y adecuados para la
adsorcioacuten en varios materiales constructivos Aunque el costo inicial en materia
prima de un PCM orgaacutenico es superior al de un inorgaacutenico su costo final es
competitivo
Sin embargo estos materiales tienen otras desventajas la maacutes
significativa es que son inflamables y que emiten gases nocivos durante su
combustioacuten Otros problemas menos extendidos son las reacciones con los
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
30
Diego Sarabia Meacutendez
productos de la hidratacioacuten en hormigoacuten (hidroacutexido de calcio) envejecimiento por
oxidacioacuten y cambios de olor
Muchos de estos inconvenientes se han eliminado Se ha visto que el
envejecimiento por oxidacioacuten de los PCM puede inhibirse utilizando un oxidante
adecuado Se estaacute investigando tambieacuten en la emisioacuten de gases y la
inflamabilidad de algunos de los PCM maacutes efectivos para establecer un radio de
ignicioacuten Tambieacuten se estaacute investigando sobre la compatibilidad de los PCM con
el hormigoacuten (Ramiacuterez A Santos A amp Gonzaacutelez N 2012)
En la tabla 23 se muestran algunas ventajas y desventajas de los PCM
orgaacutenicos y en la tabla 24 y 25 se muestran las temperaturas de fusioacuten de las
parafinas y aacutecidos grasos que permiten determinar cuaacuteles son las oacuteptimas para
utilizar en aislacioacuten (las cuales su temperatura de fusioacuten se acerca a la
temperatura de confort)
Tabla 23 Ventajas e inconvenientes de los PCM orgaacutenicos
Ventajas Inconvenientes
Faacuteciles de usar Calor latente y entalpiacutea maacutes bajos
Estabilidad teacutermica y quiacutemica Baja conductividad teacutermica
No sufren subenfriamiento Amplio rango de fusioacuten
No necesitan agente nucleador para
solidificar
Inflamables
No corrosivos Reaccioacuten potencial con hormigoacuten
Reciclables y ecoloacutegicamente inocuos Alto costo
Compatibilidad con materiales de construccioacuten convencionales
Fuente (Ramiacuterez A Santos A amp Gonzaacutelez N 2012)
Dentro de los PCM orgaacutenicos se pueden encontrar tres grupos de
sustancias diferentes parafinas aacutecidos grasos y mezclas orgaacutenicas A
continuacioacuten se presenta una pequentildea descripcioacuten de estos (Ramiacuterez A
Santos A amp Gonzaacutelez N 2012)
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
31
Diego Sarabia Meacutendez
22421 Parafinas
Las parafinas son esencialmente un alcalino solido refinado Muestran dos
rangos de enfriamiento un rango maacutes estrecho para un breve periodo de tiempo
y un rango maacutes extenso que ocurre durante un periodo maacutes amplio Ambos se
interpretan como una transicioacuten de liacutequido a amorfo-soacutelida y amorfo-solida a
cristalino-solida respectivamente Parte del calor latente total de fusioacuten se
almacena en la sustancia durante cada una de estas transiciones
Tabla 24 Temperatura de fusioacuten de algunas parafinas
PCM Temperatura fusioacuten (ordmC) Q fusioacuten (kJkg)
Hexadecano 18 236
Heptadecano 22 214
Octadecano 28 244
Parafina 20ndash60 200
RT25 25 147
Fuente (Ramiacuterez A Santos A amp Gonzaacutelez N 2012)
22422 Aacutecidos Grasos
Los aacutecidos grasos derivados de productos animales y vegetales estaacuten
constituidos por una larga cadena alifaacutetica maacutes de 12 carbonos Su cadena
alquiacutelica puede ser saturada o insaturada
En general muestran excelentes caracteriacutesticas teacutermicas (punto de fusioacuten
y congelacioacuten) El rango de temperatura de refrigeracioacuten es grande y no se
produce sub enfriamiento aunque en algunos casos se han detectado Estos
materiales sin embargo tienen elevado costo pudieacutendose utilizar en dispositivos
especiales de almacenamiento de calor o frio
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
32
Diego Sarabia Meacutendez
Tabla 25 Temperatura de fusioacuten de algunos aacutecidos grasos
PCM Temperatura fusioacuten (ordmC) Q fusioacuten (kJkg)
Caacuteprico 315 158
Laacuteurico 42-44 179
Pentadecano 52 159
Miriacutestico 54 190
Palmiacutetico 63 183
Esteaacuterico 70 196
Eritrol 116-118 126
Fuente (Ramiacuterez A Santos A amp Gonzaacutelez N 2012)
2243 Mezclas euteacutecticas
Tambieacuten existen las mezclas euteacutecticas que puede ser la mezcla de 2
PCM orgaacutenicos de 2 PCM inorgaacutenicos o de un PCM Orgaacutenico maacutes un PCM
inorgaacutenico A continuacioacuten en la tabla 26 se muestra la clasificacioacuten de los PCM
Tabla 26 Clasificacioacuten de los PCMs
Tipo PCM Composicioacuten
Orgaacutenicos Compuestos de parafina
Compuestos sin parafina
Inorgaacutenicos Sales hidratadas
Metaacutelicos
Euteacutecticos Orgaacutenico-Orgaacutenico
Orgaacutenico-Inorgaacutenico
Inorgaacutenico-Inorgaacutenico
Fuente (JuarezD Balart R Ferrandiz S amp Garcia D 2012)
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
23 Criterios de seleccioacuten de los Materiales con Cambio se Fase
Es muy importante la correcta seleccioacuten del material de cambio de fase
dependiendo del campo en que se desee utilizar por lo que a continuacioacuten se
presentaran algunos criterios para seleccionar un PCM correctamente Estos
criterios son propuestos seguacuten una investigacioacuten realizada en Espantildea (Ramiacuterez
A Santos A amp Gonzaacutelez N 2012)
a) Fiacutesicas
bull La densidad del liacutequido y del solido deben ser similares y preferiblemente
elevadas para poder almacenar mayor cantidad de calor por unidad de volumen
bull Variacioacuten de volumen (en el cambio de fase) bajo
b) Cineacuteticas
bull Evitar el problema de histeacuteresis subenfriamiento o retardo al inicio de la
solidificacioacuten como ocurre en los PCM inorgaacutenicos que se produce al no ceder
el calor latente de un PCM pese a que su temperatura sea inferior al punto de
congelacioacuten
c) Quiacutemicas
bull El proceso de cambio de fase debe ser totalmente reversible y solo dependiente
de la temperatura
bull Ser quiacutemicamente estables en el tiempo evitando su descomposicioacuten y
contaminacioacuten
bull No presentar segregacioacuten de fases
bull Ser compatibles con los materiales de encapsulado y otros con los que esteacute en
contacto estabilidad quiacutemica para evitar oxidacioacuten descomposicioacuten teacutermica
hidroacutelisis corrosioacuten y otras reacciones
bull No inflamables y resistentes al fuego
d) Teacutermicas
bull La temperatura de cambio de fase debe ser adecuada a cada aplicacioacuten
particular
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
bull Presentar una temperatura de fusioacuten definida o al menos el cambio de fase
debe producirse en un valor discreto o en un pequentildeo intervalo de temperaturas
bull Poseer una gran capacidad de almacenamiento de calor sensible (calor
especiacutefico) en estado soacutelido y liacutequido y elevada entalpia de cambio de fase calor
latente
bull Poseer una alta conductividad teacutermica para facilitar la transferencia de calor
e) Econoacutemicas
bull Estar disponible en grandes cantidades a bajo costo para que sean viables
teacutecnica y econoacutemicamente
bull Tener un razonable ciclo de vida uacutetil de acuerdo con su costo
24 Vida uacutetil del material cambio fase
El tiempo de vida uacutetil de un PCM viene determinado por la cantidad de
ciclos teacutermicos que es capaz de soportar un material manteniendo su estabilidad
teacutermica El PCM es sometido a repetidos ciclos de calentamiento y enfriamiento
en los que el material cambia de fase de soacutelido a liacutequido y posteriormente vuelve
a cambiar de fase de liacutequido a soacutelido Se miden sus propiedades teacutermicas en
temperaturas fusioacuten y entalpias obteniendo el nuacutemero de ciclos en los que las
propiedades teacutermicas del material no variacutean de forma considerable
Tras realizar una exhaustiva buacutesqueda existe muy poca bibliografiacutea
acerca de la degradacioacuten teacutermica de los PCM y la determinacioacuten de su tiempo de
uso especialmente en aplicaciones para edificacioacuten donde la vida uacutetil del material
debe ser elevada
Aunque es complicado conocer la vida uacutetil real de estos materiales y en
queacute momento dejan de conservar sus propiedades adecuadas para las
aplicaciones a las que se destina existen algunos artiacuteculos basados en
experimentos realizados en laboratorios de materiales sometidos a ciclos
teacutermicos acelerados para determinar si en un nuacutemero de ciclos el material
mantiene sus propiedades teacutermicas intactas (temperaturas fusioacuten y entalpias)
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
Algunos materiales son sometidos a 50 100 1000 o hasta 5000 ciclos teacutermicos
Pero el problema es determinar si ese maacuteximo de 5000 ciclos es suficiente para
asegurar que un material seguiraacute cumpliendo su funcioacuten Hasta el momento no
se ha encontrado en la literatura ninguna investigacioacuten donde se ensaye el
material un nuacutemero suficiente de ciclos hasta la peacuterdida de sus propiedades
teacutermicas para poder conocer su vida uacutetil o el nuacutemero de ciclos que es capaz de
soportar el PCM hasta su degradacioacuten
Por todo lo anteriormente expuesto en esta investigacioacuten se ha
considerado la vida uacutetil del material como el mayor nuacutemero de ciclos soportados
por un material obtenidos a partir de los estudios realizados por diferentes autores
en la literatura o fabricante a pesar de no haber llegado a degradarse en su
totalidad
25 Aplicacioacuten en la construccioacuten
El sector de la construccioacuten es el que maacutes beneficios puede obtener de la
utilizacioacuten de materiales con cambio de fase (PCM) ya que tiene importantes
beneficios en ahorro energeacutetico reducir la contaminacioacuten de CO2 y optimizar la
inercia teacutermica en las edificaciones con el objetivo de mejorar la habitabilidad de
los usuarios
La temperatura interior en un edificio depende de las condiciones
exteriores interiores y de las caracteriacutesticas teacutermicas de la edificacioacuten como la
capacidad teacutermica de los materiales que tiene un efecto como el mostrado en la
figura 23 el cual no considera un sistema activo en su anaacutelisis
Figura 23 Estabilizacioacuten de la temperatura interior por el efecto inercia teacutermica
Fuente (M Kenisarin amp K Mahkamov 2007)
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
Actualmente la mayoriacutea de los materiales de construccioacuten son livianos lo
que trae como consecuencia una baja capacidad caloriacutefica La introduccioacuten de
materiales de cambio de fase puede aumentar la inercia teacutermica del edificio sin
aumentar mucho su peso Sin embargo es necesario disponer de aacuterea de
transferencia de calor suficiente para liberar esa energiacutea (Dincer I amp Rosen M
2002) y es imprescindible que se pueda descargar el material por medio de la
ventilacioacuten durante la noche para prevenir el sobrecalentamiento en los
elementos con PCM (M Kenisarin amp K Mahkamov 2007)
La Figura 24 muestra una comparacioacuten entre el espesor de material
requerido para obtener la misma capacidad teacutermica que la obtenida con un
centiacutemetro de PCM
Figura 24 Espesor requerido de distintos materiales Vs Energiacutea teacutermica
Fuente (M Kenisarin amp K Mahkamov 2007)
Las caracteriacutesticas requeridas para el empleo de materiales de cambio de
fase en la edificacioacuten son
0 5 10 15 20 25 30 35 40
Yeso
Madera
Hormigon
Ceramico
Ladrillo
PCM
Espesor (cm)
H (
kJK
g)
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Diego Sarabia Meacutendez
Temperatura de cambio de fase entre 12 y 25ordmC
Alta estabilidad a los ciclos de cambio de fases debido a la larga vida uacutetil
de los edificios
No corrosivos para reducir el riesgo de fuga de su contenedor y evitar
dantildeos en la estructura del edificio
Considerar la inflamabilidad al fuego y dar soluciones constructivas de
acuerdo a la normativa
Econoacutemicamente viable en funcioacuten de los costos de implementacioacuten y
ahorro energeacuteticos
Una limitacioacuten de los PCM para su aplicacioacuten en la construccioacuten es la
estacionalidad pues el PCM debe ser seleccionado para aplicaciones en
calefaccioacuten pasiva Esta limitacioacuten reduce los beneficios teacutermicos el ahorro
energeacutetico y su viabilidad econoacutemica Investigadores estudiaron un concepto de
doble capa de PCM para que funcionara durante todo el antildeo (A Pasupathy L
Athanasius R Velraj amp RV Seeniraj 2008)
26 Encapsulacioacuten
Uno de los criterios que ha limitado el uso generalizado de los PCM es la
incompatibilidad entre estos materiales y sus contenedores afectando su
estabilidad a largo plazo degradado sus propiedades y provocando la corrosioacuten
de sus recipientes de embalaje Como respuesta a estos inconvenientes han
surgido diferentes teacutecnicas de encapsulacioacuten de los PCM las cuales ofrecen
unas ventajas significativas tales como
Aumento del aacuterea de transferencia de calor
Reduccioacuten de la reactividad hacia el ambiente exterior
Control de los cambios en el volumen eacutestos ocurren dentro de la capsula
No hay absorcioacuten de humedad
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
Los meacutetodos de encapsulacioacuten clasificados de acuerdo a su tamantildeo
pueden ser de dos tipos micro y macro encapsulados (Lane 1986)
261 Microcaacutepsulas
Una investigacioacuten menciona que la micro encapsulacioacuten podriacutea definirse
como el proceso de rodear o envolver una sustancia en otra sustancia a escala
muy reducida produciendo caacutepsulas que van desde 1 μm a 1000 μm de diaacutemetro
Los tres estados de la materia (soacutelidos liacutequidos y gases) pueden ser micro
encapsulado
El material de la membrana exterior debe ser compatible con el PCM y a
su vez ser capaz de hacer frente a la tensioacuten mecaacutenica sobre las paredes del
recipiente provocada por las variaciones de volumen durante el cambio de fase
(S E Kalnaeligs amp B P Jelle 2015)
Por lo general los PCM micro-encapsulados se encuentran
comercialmente disponibles en dos formatos dispersioacuten fluida donde las
caacutepsulas son dispersadas en agua o en polvo en mezclas en seco
La figura 25 muestra en teacuterminos practico la conformacioacuten de la
envolvente de poliacutemero en una cera PCM dimensionando el tamantildeo en ellas
Figura 25 Microcaacutepsulas
Fuente (S E Kalnaes and B P Jelle 2015)
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
262 Macrocaacutepsulas
La macro-encapsulacioacuten hace referencia a PCM encapsulados en
cualquier tipo de recipiente tal como tubos esferas o paneles que pueden ser
incorporados en materiales de construccioacuten o que actuacutean como intercambiadores
de calor por siacute mismos El tamantildeo de estos contenedores es por lo general maacutes
de 1 cm3 almacenando desde varios mililitros hasta varios litros La tecnologiacutea
de macro encapsulacioacuten emplea un proceso de encapsulacioacuten de doble capa
creando una caacutepsula con una configuracioacuten en forma de matriz La principal
ventaja de los envases plaacutesticos es la disponibilidad en el mercado y la facilidad
de producirlos en una gran variedad de formas y con pocas restricciones
geomeacutetricas Ademaacutes son compatibles con la mayoriacutea de PCM incluyendo las
sales hidratadas por lo general no presentan degradacioacuten aunque algunos
materiales orgaacutenicos pueden llegar a suavizarlos (S E Kalnaes and B P Jelle
2015)
El PCM se encuentra confinado por la encapsulacioacuten evitaraacute cambios
volumeacutetricos importantes lo que evita varios riesgos y garantiza la integridad del
componente en el que se insertan las caacutepsulas La barrera polimeacuterica puede ser
de otros materiales por ejemplo como aluminio ya que mejora la compatibilidad
con otros materiales de construccioacuten y evita la corrosioacuten Este tipo de aplicacioacuten
es de faacutecil manejo una clara ventaja de este proceso en relacioacuten a los meacutetodos
de impregnacioacuten e inmersioacuten del iacutetem anterior
Figura 26 Caacutepsulas de macro PCM (Contenedor plano Esfera Placas de
barra doble y placas de aluminio)
Fuente (S E Kalnaeligs amp B P Jelle 2015)
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
CAPITULO III MEacuteTODOS Y METODOLOGIacuteA
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
En este estudio la evaluacioacuten se centra en el anaacutelisis de optimizacioacuten de
la aplicacioacuten PCM a los muros exteriores y dimensionamiento del rendimiento
teacutermico de una vivienda en estudio
Los modelos generados en el software Energy Plus se ingresoacute valores de
los sistemas constructivos de la vivienda en estudio condiciones climaacuteticas
caracterizacioacuten PCM en muros exteriores y caracterizacioacuten macro encapsulacioacuten
de acuerdo con las directrices (DOE 2016) se explica en las siguientes secciones
del capiacutetulo
31 Herramienta de simulacioacuten de energiacutea
Para evaluar los PCM de comportamiento teacutermico variable de la vivienda
en estudio con y sin PCM se utilizoacute el software EnergyPlus v 87
En teacuterminos generales el software puede evaluar una variedad de caacutelculos
destacados como los caacutelculos de puentes teacutermicos HVAC integrado y
simulaciones de carga de construccioacuten confort teacutermico y materiales con
conductividad teacutermica variable como el PCM (DB Crawley LK Lawrie FC
Winkelmann WF Buhl YJ Huang amp CO Pedersen 2001) Ademaacutes hay
muchas opciones para la conveccioacuten de la superficie interior y exterior
algoritmos infiltracioacuten avanzada e ventilacioacuten energiacutea desarrollada costos del
ciclo de vida algoritmos avanzados de confort teacutermico como como la calidad del
aire interior y el confort teacutermico para los ocupantes (DB Crawley JW Hand M
Kummert amp BT Griffith 2008)
Para analizar el comportamiento teacutermico variable de los PCM en estudio
se utilizoacute el algoritmo de diferencia finita de conduccioacuten (CondFD) Este algoritmo
modela la transferencia de calor en presencia de PCM y junto con la ecuacioacuten (2)
discretiza la envolvente del edificio en varios nodos para resolver numeacutericamente
la transferencia de calor en el software se puede escoger ecuaciones por un
esquema totalmente impliacutecito y el Crank-Nicolson que es semi-impliacutecito (KO
Lee 2016)
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
En esta investigacioacuten se utiliza un esquema Crank-Nicolson para simular
PCM para un material homogeacuteneo con espaciado uniforme de nodos como se
muestra en la ecuacioacuten (2) (3) y (4) extraiacutedo del manual del software
EnergyPlus (DOE 2016)
119862119901120588∆119909119879119894
119895+1minus 119879119894
119895
∆119905= (119896119908
119879119894+1119895+1
minus 119879119894119895+1
∆119909+ 119896119864
119879119894minus1119895+1
minus 119879119894119895+1
∆119909+ 119896119908
119879119894+1119895
minus 119879119894119895
∆119909+ 119896119864
119879119894minus1119895
minus 119879119894119895
∆119909)
Ec 2
∆119909 = radic119888120572∆119905 Ec 3
Donde Cp y ρ son el calor especiacutefico y la densidad del material Δ119909 es el
espesor de capa de diferencia finita Δ119905 es el paso de tiempo 119879 es la temperatura
de un nodo 119894 119894 + 1 y 119894 minus 1 son los nodos adyacentes al interior y exterior
respectivamente de una capa de material 119895 y 119895 + 1 son los pasos de tiempo
anterior y nuevo 119896119908 y 119896119864 representan las conductividades teacutermicas 119896119908 =
119896119894+1119895+1
+119896119894119895+1
2 y 119896119864 =
119896119894minus1119895+1
+119896119894119895+1
2 120572 es la difusividad teacutermica del material y 119888 es la
constante de discretizacioacuten del espacio que puede definir el usuario (3 es el valor
predeterminado para esta constante seguacuten manual)
Esta investigacioacuten considera el uso de paneles PCM por lo tanto el
algoritmo CondFD ecuacioacuten (2) debe combinarse con una funcioacuten de temperatura
de entalpiacutea ℎ = ℎ (119879) estos datos en la funcioacuten se obtendraacuten de acuerdo al estudio
bibliograacutefico El algoritmo usa esta funcioacuten para actualizar el calor especiacutefico
equivalente (119862119901) en cada paso de tiempo como se muestra en la ecuacioacuten (4)
lowast 119862119901(119879) =ℎ119894
119895minus ℎ119894
119895minus1
119879119894119895
minus 119879119894119895minus1
Ec 4
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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32 Descripcioacuten Vivienda en estudio
En este apartado se define los sistemas constructivos de la vivienda en
estudio con y sin PCM para obtener la liacutenea base de comparacioacuten
En la figura 31 se muestra el disentildeo de vivienda en estudio de 56 m2 y
los espacios interiores con su distribucioacuten de aacutereas veacutease en la tabla 31 esta
vivienda se configuro de acuerdo a las soluciones constructivas acreditadas
(MINVU Soluciones constructivas acreditadas al fuego teacutermico y acuacutestico
2020)
Las caracteriacutesticas de la envolvente de la vivienda en estudio cuentan con
la configuracioacuten miacutenima de la reglamentacioacuten teacutermica que actualmente rige en
Chile estaacute establecida en la Ordenanza General de Urbanismo y Construcciones
en su artiacuteculo 4110 y en una zonificacioacuten del paiacutes en zonas teacutermicas seguacuten
grados-diacutea especificados en el manual de aislamiento teacutermico (MINVU Manual
de aplicacioacuten y reglamentacoacuten teacutermica 2017) Los complejos de techumbres
muros perimetrales y pisos inferiores ventilados entendidos como elementos que
constituyen la envolvente de la vivienda deberaacuten tener una transmitancia teacutermica
ldquoUrdquo igual o menor o una resistencia teacutermica total ldquoRtrdquo igual o superior a la
sentildealada para la zona que le corresponda al proyecto de arquitectura de acuerdo
con los planos de zonificacioacuten teacutermica corresponde a zona 4 y se verifica lo
anteriormente expuesto en la tabla 32 cabe sentildealar que los valores de
transmitancia teacutermica se extrajeron de acuerdo a las ecuaciones de balance
teacutermico que estaacute incorporado en el software
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Figura 31 Descripcioacuten Vivienda en estudio
Elaboracioacuten Propia - Software Revit
A continuacioacuten se muestra las dimensiones que tiene cada espacio de las
dos torres del edificio en las siguientes tablas
Tabla 31 Resumen superficies de los distintos espacios vivienda en estudio
Torre A
Lugar Superficie (119950120784) Altura (m)
Dormitorio Primario 8 24
Dormitorio Secundario 7 24
Cocina 9 24
Living - Comedor 28 24
Bantildeo 3 24
TOTAL 56
Fuente Elaboracioacuten Propia
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Tabla 32 Cumplimiento de la envolvente elementos constructivos de la vivienda en estudio
Elemento Materiales (exterior al
interior)
Espesor (m)
Transmitencia teacutermica Valor U (Wm2K)
Transmitencia teacutermica exigida Valor U (Wm2K)
Muro Exterior
Siding
Fibrocemento
0006
0672
17
Plancha OSB 0009
Entramado
madera pino 2x3
0075
Lana de vidrio 005
Caacutemara no
ventilada
(Ubicacioacuten del
PCM)
0026
Placa yeso cartoacuten 0015
Muro Interior
Placa yeso cartoacuten 0015
0677
17
Entramado
madera pino 2x2
0075
Lana de vidrio 005
Placa yeso cartoacuten 0015
Techumbre
Plancha Zincalum 0035
0316
038
Fieltro 0005
Plancha OSB 0009
Entramado madera pino 2x2
0075
Lana de Vidrio 005
Placa yeso cartoacuten 00125
Piso en contacto
con el terreno
Radier Hormigoacuten 02 17 No aplica
Fuente Elaboracioacuten Propia
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
Para integrar el PCM con la vivienda en estudio se configuro las
propiedades teacutecnicas y la ubicacioacuten optima interna del PCM al panel externo
constructivo donde se administroacute en el modelo de simulacioacuten veacutease en la Figura
313 y figura 38
321 Meacutetodo de zona en software EnergyPlus
El modelo de construccioacuten creado se utilizoacute el meacutetodo de zona donde
todas las zonas fueron modeladas con informacioacuten completa en construccioacuten
ocupacioacuten equipamiento y HVAC
Al iniciar el modelo se elige la ubicacioacuten y el tipo de anaacutelisis Despueacutes se
debe ingresar un nombre al sitio y a cada zona Ademaacutes se puede asignar varios
edificios bajo el mismo sitio cada uno con su propio nombre Una vez definido lo
anterior se genera bloque que generalmente representa un piso o nivel planta
para este estudio se genera bloque de acuerdo a la figura 32
Figura 32 Modelo de zona en casa de estudio
Fuente Elaboracioacuten Propia
La fase de zonificacioacuten separa las diferentes zonas teacutermicas Para el
modelo cada suite se considera una zona El meacutetodo de zona permite asignar
diferentes horarios operativos a cada zona Cada una de las paredes de cada
bloque se llama superficie y ventanas o puertas como sub-superficies o
aberturas La vivienda se muestra parcialmente en la Figura 33
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Figura 33 Zona y sub-superficie de vivienda en estudio
Fuente Elaboracioacuten Propia
El software da la posibilidad de elegir los materiales utilizados en la
construccioacuten de la vivienda a traveacutes de sus bibliotecas de materiales o pueden
ser creados por el usuario y los materiales elegidos son asignado a las partes
especificadas de la vivienda Estos pasos se repitieron en todos los pisos para
completar todo el modelo de construccioacuten
33 Datos meteoroloacutegicos
El modelo de simulacioacuten se mantuvo en base a los datos meteoroloacutegicos
con formato EPW en Energy plus se definioacute la ubicacioacuten Concepcioacuten Chile Con
el objetivo de evaluar el rendimiento teacutermico y analizar la optimizacioacuten de la
posicioacuten del PCM al muro exterior de la vivienda en estudio Las configuraciones
de los datos meteoroloacutegicos se muestran en la Figura 34
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
Figura 34 Configuracioacuten datos meteoroloacutegico
Fuente Elaboracioacuten Propia
34 Jornadas de ocupacioacuten
Para realizar la simulacioacuten energeacutetica se deben definir una serie de
planillas de ocupacioacuten de los recintos uso de luminaria y equipos En estas
planillas de ocupacioacuten se define el ciclo horario para todos los diacuteas del antildeo
Esto se realiza con la finalidad de establecer los periodos en los que
influyen los distintos tipos de cargas internas en la vivienda
A continuacioacuten se adjunta a modo de ejemplo la figura 35 en la cual se
puede ver el menuacute de configuracioacuten de las plantillas de ocupacioacuten
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
Figura 35 Planilla de uso horario de un recinto
Fuente Elaboracioacuten propia
35 Configuracioacuten envolvente por elemento y sistemas de climatizacioacuten
Definidos las zonas y multi zonas del modelo se deberaacute configurar los
sistemas constructivos en sus propiedades teacutermicas y dimensiones El software
automaacuteticamente genera el caacutelculo de transmitancia teacutermica anaacutelisis de
condensacioacuten y dimensioacuten en imagen por elemento Veacutease en la figura 36
Para configurar el sistema de climatizacioacuten primero se debe definir los
rangos de temperatura confort teacutermico en la pestantildea de actividades del software
Veacutease figura 37 A continuacioacuten se define el tipo de sistema de climatizacioacuten
definiendo las horas de operacioacuten tipo combustible y rendimiento del sistema
como se muestra en la figura 38
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
Figura 36 Planilla configuracioacuten envolvente por elemento
Fuente Elaboracioacuten propia
Figura 37 Planilla configuracioacuten rango de temperatura confort teacutermico
Fuente Elaboracioacuten propia
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
Figura 38 Planilla configuracioacuten del tipo de sistema de climatizacioacuten
Fuente Elaboracioacuten propia
36 Caracterizacioacuten PCM
En este estudio se utilizoacute placas PCM tipo orgaacutenico de parafina tiene una
relacioacuten de mezcla de n-octadecano a n-heptadecano seleccionado debido a la
eficiencia energeacutetica con temperatura cercana al confort teacutermico (12ndash26 deg C)
basado en ISO 13790 (KO Lee 2016)
Seguacuten el estado de arte existente se definioacute los tres materiales de cambio
de fase los cuales son candidatos idoacuteneos para utilizar en esta investigacioacuten
Estos materiales han sido estudiados por diversos autores con el fin de obtener
sus propiedades termofiacutesicas y usarlas en la edificacioacuten La razoacuten de utilizar estos
materiales es debido a sus propiedades teacutermicas y el que su temperatura de
fusioacuten es cercana a la temperatura de confort
Ademaacutes la vida uacutetil del PCM es de 13 antildeos seguacuten su ciclo de cambio
fase considerando 365 cambios fase anual el cual se justifica con los costos de
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
inversioacuten al implementar esta tecnologiacutea dependiendo de la magnitud del flujo
de calor el cuaacutel se quiere operar
Las especificaciones teacutecnicas de las placas PCM y el comportamiento de
temperaturas y entalpias de operacioacuten se describen en la tabla 33 las cuales se
vinculan con el algoritmo CondFD de la ecuacioacuten (2) para evaluar su rendimiento
energeacutetico en la vivienda en estudio
361 Seleccioacuten de Materiales Cambio Fase
Tabla 33 Especificaciones teacutecnicas de PCM a utilizar
Caracteriacutesticas RT18HC
Valores Unidades Grafica entalpia y Temperatura
Temperatura de Fusioacuten
18
degC
Almacenamiento de calor
260 [kJkg]
Capacidad calor especifico
2 [kJkgK]
Densidad solido (a los 15degC)
088 [kgl]
Densidad solido (a los 25degC)
077 [kgl]
Conductividad teacutermica
(Ambas fases)
02 [W(mK)]
Expansioacuten de Volumen
125
Maacutexima temperatura operacioacuten
50 degC
Ciclo Cambio fase
5000 -
Caracteriacutesticas RT21HC
Valores Unidades Grafica entalpia y Temperatura
Temperatura de Fusioacuten
21
degC
Almacenamiento de calor
155 [kJkg]
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
Capacidad calor especifico
2 [kJkgK]
Densidad solido (a los 15degC)
088 [kgl]
Densidad solido (a los 25degC)
077 [kgl]
Conductividad teacutermica
(Ambas fases)
02 [W(mK)]
Expansioacuten de Volumen
12
Maacutexima temperatura operacioacuten
45 degC
Ciclo Cambio fase
5000 -
Caracteriacutesticas RT22HC
Valores Unidades Grafica entalpia y Temperatura
Temperatura de Fusioacuten
22
degC
Almacenamiento de calor
190 [kJkg]
Capacidad calor especifico
2 [kJkgK]
Densidad solido (a los 15degC)
076 [kgl]
Densidad solido (a los 25degC)
070 [kgl]
Conductividad teacutermica
(Ambas fases)
02 [W(mK)]
Expansioacuten de Volumen
125
Maacutexima temperatura operacioacuten
50 degC
Ciclo Cambio fase
5000 -
Fuente (Rubitherm 2020)
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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362 Configuracioacuten del PCM en EnergyPlus
De acuerdo al estudio bibliograacutefico de los materiales cambio fase para
ingresar los datos al software se debe definir las cantidades de temperatura de
operacioacuten identificar el punto de fusioacuten en las graacuteficas de entalpia y temperatura
de la tabla 33 conductividad teacutermica calor especifico densidades y espesor en
el elemento constructivo con el fin de determinar el flujo de calor de operacioacuten
de acuerdo al balance termodinaacutemico de la ecuacioacuten (2) A continuacioacuten se
adjunta a modo de ejemplo la figura 39 en la cual se puede ver el menuacute de
configuracioacuten
Figura 39 Configuracioacuten del PCM en el software
Fuente Elaboracioacuten Propia
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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363 Cotizacioacuten PCM RT21
La inversioacuten total del material cambio fase es de $1106679
correspondiente a 160 kg con transporte incluido Se observa que el costo de
transporte afecta considerablemente en su valor (Alemania)
Se realizoacute cotizacioacuten del material RT21 en la empresa alemana Rubitherm
se presenta en la figura 310
Figura 310 Cotizacioacuten del material RT21
Fuente (Rubitherm 2020)
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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37 Caracterizacioacuten Macro encapsulacioacuten
En esta seccioacuten la placa de macro encapsulacioacuten utilizada para el PCM
es de materialidad de aluminio veacutease figura 311 esto aumenta la transferencia
de calor en los PCM Son dos placas que estaacuten unidas entre siacute Se unen en dos
puntos centrados y se pegan en sus marcos Pueden ser utilizados para PCM
(orgaacutenico - inorgaacutenico) Por lo tanto se puede ofrecer un rango de temperatura
para una variedad de aplicaciones El grosor depende del volumen de llenado y
por lo tanto de la capacidad de almacenamiento Para el estudio se seleccionoacute
el modelo CSM105 Rubitherm el cual su espesor es de 15 mm y puede
almacenar 2 Kg de PCM por placa
Figura 311 Modulo Almacenamiento Macro encapsulacioacuten de aluminio
Fuente (Rubitherm 2020)
371 Cotizacioacuten Macro encapsulacioacuten
La inversioacuten total de la Macro encapsulacioacuten de aluminio modelo CSM105
Rubitherm es de $ 4326306 correspondiente a 150 unidades con transporte
incluido Se observa que el costo de transporte afecta considerablemente en su
valor (Alemania) Se realizoacute cotizacioacuten de los elementos de Macro encapsulacioacuten
de aluminio modelo CSM105 Rubitherm se presenta en la figura 312
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Figura 312 Cotizacioacuten Macro encapsulacioacuten
Fuente (Rubitherm 2020)
38 Validacioacuten muro constructivo con PCM
De acuerdo a los estudios del estado de arte y conocimientos teacutecnicos se
validoacute el sistema constructivo propuesto del muro exterior en el cumplimiento de
resistencia al fuego de acuerdo al cataacutelogo de soluciones constructivas del
MINVU y de la Ordenanza General de Urbanismo y Construcciones (OGUC)
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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381 Cumplimiento de la OGUC y Resistencia al fuego
Dentro de las exigencias a cumplir por la OGUC se tiene la resistencia
al fuego en elementos constructivos seguacuten el tipo de recinto Para el caso del
muro de la vivienda en estudio se hace el siguiente anaacutelisis
De la tabla Ndeg34 seguacuten ldquodestino del edificiordquo ldquosuperficie edificada (m2)rdquo y
ldquonuacutemero de pisosrdquo se obtiene una clasificacioacuten (a b c y d) seguacuten corresponda
En el caso de estudio se tiene una vivienda de 1 piso por lo que el destino
es ldquoHabitacionalrdquo y por nuacutemero de pisos se establece una clasificacioacuten ldquodrdquo
Tabla 34 Clasificacioacuten de los edificios seguacuten su destino superficie edificada y
nuacutemero de pisos Destino del Edificio Superficie Edificada (m2) Nuacutemeros de Pisos
1 2 3 4 5 6 7 o mas
Habitacional Cualquiera d d c c b a a
Hoteles Sobre 5000 c b a a a a a
Sobre 1500 y hasta 5000 c b b b a a a
Sobre 500 y hasta 1500 c c b b a a a
Hasta 500 d c b b a a a
Oficinas Sobre 1500 c c b b b a a
Sobre 500 y hasta 1500 c c c b b b a
Hasta 500 d c c b b b a
Museos Sobre 1500 c c b b b a a
Sobre 500 y hasta 1500 c c c b b b a
Hasta 500 d c c b b b a
Clinica Hospitales y Lab Sobre 1000 c b b a a a a
Hasta 1000 c c b b a a a
Policlinicos Sobre 400 c c b b b b a
Hasta 400 d c c b b b a
Restaurante Sobre 500 b a a a a a a
Sobre 250 y hasta 500 c b b a a a a
Hasta 250 d c c b b a a
Locales Comerciales Sobre 500 c b b a a a a
Sobre 200 y hasta 500 c c b b a a
Hasta 200 d c b b b a a
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Bibliotecas Sobre 1500 b b a a a a a
Sobre 500 y hasta 1500 b b b a a a a
Sobre 250 y hasta 500 c b b b a a a
Hasta 250 d c b b a a a
Automotoras Cualquiera d c c b b b a
Edificio Estacionamiento Cualquiera d c c c b b a
Fuente (MINVU Soluciones constructivas acreditadas al fuego teacutermico y
acuacutestico 2020)
Para lograr obtener la resistencia al fuego necesaria se debe utilizar
ademaacutes la tabla 34 la cual utilizo como criterios la clasificacioacuten obtenida de la
tabla 35 y el tipo de elemento constructivo
Tabla 35 Resistencia al fuego para diferentes elementos de construccioacuten Elementos de Construccioacuten
Tipo (1) (2) (3) (4) (5) (6) (7) (8) (9)
A F-180 F-120 F-120 F-120 F-120 F-30 F-60 F-120 F-60
B F-150 F-120 F-90 F-90 F-90 F-15 F-30 F-90 F-60
C F-120 F-90 F-60 F-60 F-60 - F-15 F-60 F-30
D F-120 F-60 F-60 F-60 F-30 - - F-30 F-15
Fuente (MINVU Soluciones constructivas acreditadas al fuego teacutermico y
acuacutestico 2020) Simbologiacutea
Elementos verticales
(1) Muros cortafuego
(2) Muros zona vertical de seguridad y caja de escalera
(3) Muros caja de ascensores
(4) Muros divisorios entre unidades (hasta la cubierta)
(5) Elementos soportantes verticales
(6) Muros no soportantes y tabiques
Elementos verticales y horizontales
(7) Escaleras
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Elementos Horizontales
(8) Elementos soportantes horizontales
(9) Techumbre incluido cielo falso
Para el caso de los muros que dan al exterior de la vivienda en estudio se
considera en la categoriacutea (5) y seguacuten la clasificacioacuten obtenida de la tabla 35 (d)
se tiene un grado de resistencia al fuego F-30
Para cumplir con esta exigencia se utiliza una solucioacuten del cataacutelogo de
soluciones constructivas del MINVU la cual se presenta a continuacioacuten
Tabla 36 Tabique perimetral estructura madera en vivienda en estudio
A233014 Tabique Estructura Madera Volcanita 15 mm RF Placa
OSB 9 mm Siding Volcan 6 mm Aislanglas R122 50 mm
Elemento estaacute formado por una estructura de madera hecha con listones de pino
radiata de 2rdquo x 3rdquo en bruto Consta de 5 pie-derechos distanciados entre ejes
cada 06 m dos cadenetas distanciadas entre ejes cada 08 m una solera inferior
y otra superior Esta estructuracioacuten esta forrada por una de sus caras con una
plancha de yeso-cartoacuten ldquoVolcanita RFrdquo de 15 mm de espesor La otra cara esta
forrada con una placa de madera OSB de 9 mm de espesor y como terminacioacuten
en esta cara lleva unas fajas horizontales de fibrocemento ldquoSiding Volcanrdquo tipo
tinglado de 190 mm de ancho y 6 mm de espesor Todo el conjunto esta
atornillado a la estructura de madera Esta conformacioacuten deja espacios libres en
el interior del panel estaacuten rellenos con una manta de lana de vidrio tipo rollo libre
R122 de 50 mm de espesor de densidad media aparente de 14 kgm3 Las
dimensiones para el ensayo fue 22 de ancho x 24 de alto y 105 mm de espesor
INSTITUCION Ndeg Informe Lab Fecha Resistencia Inscripcioacuten
Volcaacuten SA 374721 IDIEM 26-06-96 F-30 2015
Fuente (MINVU Soluciones constructivas acreditadas al fuego teacutermico y
acuacutestico 2020)
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
Otra de las exigencias por parte de la OGUC es el cumplimiento de la
reglamentacioacuten teacutermica mostrado en la tabla 32 para esto se compara las
transmitancias teacutermicas exigidas con las envolventes de los elementos
constructivos de la vivienda en estudio Para el caso del muro donde se
incorporaraacute el PCM se seleccionoacute de acuerdo al listado de soluciones
constructivas del MINVU para validar la resistencia al fuego En la figura 313 se
visualiza las componentes de la envolvente del muro con PCM
Figura 313 Sistema Constructivo Muro exterior con PCM en vivienda estudio
Fuente Elaboracioacuten Propia
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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CAPITULO IV RESULTADOS Y DISCUSIOacuteN
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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En este segmento se evaluoacute el comportamiento energeacutetico de los
materiales cambio fase mediante el software Energy Plus Los materiales cambio
fase se produce dentro de placas de macro encapsulacioacuten de aluminio al interior
de los muros exteriores
Por lo tanto se observoacute el aporte energeacutetico de los materiales cambio fase
en un sistema activo de calefaccioacuten optimizando los sistemas constructivos en
la vivienda en estudio y dar respuesta a su aplicacioacuten en acondicionamiento
ambiental
41 Comportamiento Energeacuteticos de los materiales cambio fase
A continuacioacuten se comparoacute el comportamiento energeacutetico de dos sistemas
de climatizacioacuten con el aporte energeacutetico pasivo de los distintos materiales
cambio fase en una vivienda en estudio
411 Rendimiento energeacutetico de calefaccioacuten con y sin PCM
Para evaluar el comportamiento energeacutetico se definioacute la temperatura de
fusioacuten de los PCM en el rango de 18 a 22degC el aporte energeacutetico de los PCM
ayudo a mantener constante la temperatura confort de 21degC en la vivienda y
reducir los consumos energeacuteticos del sistema activo para este estudio se
escogioacute dos sistemas de climatizacioacuten caso 1 calefaccioacuten a lentildea con un η=07 y
caso 2 Climatizacioacuten por bomba de calor η=27 esta seleccioacuten se debe a que el
sistema de calefaccioacuten a lentildea es el maacutes usado en la zona genera una alta
contaminacioacuten ambiental por su combustioacuten en material particulado es el
combustible maacutes econoacutemico por unidad de energiacutea y su inversioacuten es accesible
en cambio los equipos de bomba calor tienen un mayor rendimiento energeacutetico
tiene menos impacto al medio ambiente y su inversioacuten es costosa
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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La figura 41 (a) muestra las potencias maacuteximas de disentildeo en
climatizacioacuten comparando la liacutenea base con la implementacioacuten de materiales
PCM en vivienda en estudio ubicado en Concepcioacuten Chile A traveacutes de este
anaacutelisis se identificoacute una disminucioacuten en su potencia de disentildeo de 319 (de
263 kW a un 179 kW) con respecto al caso base
Figura 41 (a) Potencia maacutexima disentildeo con y sin PCM en vivienda estudio
Fuente Elaboracioacuten Propia
En la figura 41 (b) y (c) se realizoacute la comparacioacuten de distintos tipos de
materiales PCM con un rango de temperatura de fusioacuten entre 18 degC a 22degC para
determinar cuaacutel es maacutes eficiente en funcioacuten de las variables de disentildeo
emplazamientos y propiedades teacutermicas
Para el primer caso se evaluoacute el sistema de calefaccioacuten a lentildea y el rol
clave de estos materiales PCM es reducir el consumo energeacutetico y el kgCO2
generado por la combustioacuten En los resultados se visualizoacute que el material cambio
fase optimo corresponde al PCM 22HC arrojando una reduccioacuten del consumo
energeacutetico de 341 (de 3694 kWh a un 2434 kWh) en comparacioacuten al caso base
CocinaDormitorioSecundario
DormitorioPrimario
Living-Comedor
Bantildeo
Sin PCM 03 037 047 129 02
Con PCM 017 027 033 087 015
0
02
04
06
08
1
12
14
Dem
ada
En
erge
tica
(k
W)
Potencia Maxima de Disentildeo
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
Para el segundo caso se evaluoacute un sistema de bomba de calor multisplit
al igual que en el caso anterior el material optimo corresponde al PCM 22HC se
observoacute una disminucioacuten de consumo energeacutetico de un 344 (de 688 kWh a un
451 kWh) en comparacioacuten al caso base
Para ambos casos se observoacute una notable reduccioacuten de los consumos
energeacuteticos en estacioacuten friacutea
Figura 41 (b) Caso 1 - Consumo energeacutetico en calefaccioacuten Lentildea con y sin
PCM en vivienda estudio
Fuente Elaboracioacuten Propia
Ene Feb Mar Abr May Jun Jul Ago Sept Oct Nov Dic
Sin PCM 75 79 138 267 477 604 626 498 408 271 147 104
PCM 18 37 34 73 188 424 579 602 440 347 185 85 60
PCM 21 31 27 64 167 397 547 570 405 313 161 71 53
PCM 22 13 11 39 138 354 506 528 357 275 130 49 34
0
200
400
600
800
1000
Co
nsu
mo
Co
mb
ust
ible
(k
Wh
)
Consumo Combustible Lentildea Mensual
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Figura 41 (c) Caso 2 - Consumo energeacutetico Bomba de calor con y sin PCM en
vivienda estudio
Fuente Elaboracioacuten Propia
Se identificoacute que la temperatura de fusioacuten maacutes baja de los PCM no es
viable en la optimizacioacuten del sistema pasivo en climatizacioacuten podriacutea ser explicado
por las variables temperatura exteriores dependiendo de las condiciones
climaacuteticas por su emplazamiento Por ejemplo de acuerdo con las cargas
maacuteximas de calefaccioacuten se debe a que la energiacutea en invierno aumento
estableciendo las temperaturas de confort teacutermico esta es una variable de
seleccioacuten del PCM que serviraacute para optimizar el disentildeo en funcioacuten del confort
teacutermico disminuyendo demanda energeacutetica perdidas caloriacuteficas y consumos
energeacuteticos de sistemas de calefaccioacuten activos
Seguacuten el estado de arte otro punto importante a comentar es tener en
cuenta que las curvas de entalpia y temperatura tanto para refrigeracioacuten y
calefaccioacuten deben ser lo maacutes cercana posible de lo contrario se produciriacutea una
Ene Feb Mar Abr May Jun Jul Ago Sept Oct Nov Dic
Sin PCM 14 15 26 50 89 112 116 92 78 50 27 19
PCM 18 7 6 14 35 79 107 112 82 64 34 16 11
PCM 21 57 5 12 31 74 101 106 75 58 30 13 10
PCM 22 23 2 72 256 66 936 976 662 511 24 9 63
0
20
40
60
80
100
120
Co
nsu
mo
Co
mb
ust
ible
(k
Wh
)Consumo Combustible Bomba de calor Mensual
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
histeacuteresis o sub enfriamiento y afectariacutea considerablemente el rendimiento del
PCM en su aplicacioacuten
Para la implementacioacuten de sistemas activos sustentables en climatizacioacuten
se demuestra en el estudio que el aporte energeacutetico de los PCM es mantener la
temperatura constante dentro de los espacios interiores y ayudan tambieacuten a bajar
considerablemente los consumos energeacuteticos y es un aporte al medio ambiente
Para sistemas pasivos la eficiencia en los PCM en los muros exteriores
podriacutea incrementarse sugiriendo que haya acristalamiento a base de muros
cortina durante el diacutea lleva al PCM al proceso de cambio de fase de manera
estable en el tiempo debido a su almacenamiento teacutermico (F Ascione RF De
Masi F de Rossi S Ruggiero amp GP Vanoli 2016)
Ademaacutes la disminucioacuten de un 319 en potencia maacutexima de disentildeo para
equipos de climatizacioacuten arrojado en este estudio y un promedio de 33 en
reduccioacuten en consumo energeacutetico en los dos casos de climatizacioacuten propuestos
se puede inferir que los materiales cambio fase es capaz de contribuir a eficiencia
energeacutetica
412 Inversioacuten inicial y costos operativos en sistemas de calefaccioacuten con y sin PCM
Se hizo un anaacutelisis de los principales costos asociados a la adquisicioacuten de
los equipos y operacioacuten de eacutestos No se consideraraacute valor residual o de
salvamiento Para poder comparar la vida uacutetil a usar seraacute de 10 antildeos
Al obtener los valores de consumos energeacuteticos en las simulaciones de
los casos propuestos se visualiza una aproximacioacuten en demostrar el beneficio
econoacutemico que aporta los PCM a los sistemas activos Vease en figura 42
En el caso 1 sistema de calefaccioacuten a lentildea se observoacute una disminucioacuten
en los costos de operacioacuten anual de un 341 (de $88656 a un $58416)
($ 24 por kWh) (BES 2017) y en el caso 2 sistema de climatizacioacuten por bomba
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
68
Diego Sarabia Meacutendez
calor se observoacute una disminucioacuten en los costos de operacioacuten anual de un 344
(de $72928 a un $47795) ($ 106 por kWh) (BES 2017)
Figura 42 Inversioacuten inicial y costos operativos sistema climatizacioacuten con y sin
PCM en vivienda estudio
Fuente Elaboracioacuten Propia
42 Propuesta de aplicacioacuten PCM a caso base como sistema de actualizacioacuten
Seguacuten los resultados del comportamiento energeacutetico de la vivienda en
estudio con y sin PCM Se identificoacute un enfoque diferente e innovador para
sistemas pasivos de acondicionamiento ambiental o el aporte energeacutetico
significativo de los PCM a los sistemas activos para mantener su temperatura
constante en su operacioacuten
Una correcta ubicacioacuten del PCM a los muros exteriores de una vivienda en
estudio mostro significativamente un ahorro de energiacutea con respecto al caso
base esto se debe a la colocacioacuten del PCM en la particioacuten interna en los muros
exteriores emplazamiento de la vivienda tipo de encapsulacioacuten y orientacioacuten de
los muros con respecto al sol
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
Sin PCM PCM 22HC Inversion
Mil
es d
e p
eso
sInversion inicial y costos operativos en sistema
climatizacion
Caso 1 Sistema Calefaccion Lentildea Caso 2 Sistemas Bomba de Calor
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
El tipo de encapsulacioacuten de acuerdo al panel constructivo mostro que debe
ser macro encapsulacioacuten con materialidad de aluminio para aumentar la
conductividad teacutermica de los materiales cambio fase que era una de sus
desventajas teacutecnicas
A traveacutes de este anaacutelisis se identificoacute que material de cambio de fase se
debe seleccionar de acuerdo a la aplicacioacuten pasiva en vivienda en estudio
considerando variables de seleccioacuten como cineacuteticas fiacutesicas quiacutemicas teacutermicas
y econoacutemicas
Finalmente se observoacute que es posible maximizar la eficiencia de la
energiacutea en mantener la temperatura constante en los espacios interiores con el
aporte energeacutetico de los sistemas pasivos cuando se usa materiales cambio fase
en los muros exteriores de la vivienda en estudio Ademaacutes el PCM con
temperatura de fusioacuten cercana a la temperatura confort logra un mayor
rendimiento energeacutetico seguacuten su emplazamiento y reduce considerablemente los
costos de operacioacuten de un sistema climatizacioacuten activo aportaacutendole energiacutea
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
CONCLUSIONES
El trabajo reciente propone un anaacutelisis de optimizacioacuten del PCM a una
vivienda en estudio como una aplicacioacuten de actualizacioacuten a sistemas pasivos y
se evaluoacute el comportamiento energeacutetico de dos sistemas activos de climatizacioacuten
mediante el uso del software EnergyPlus
En este estudio se describe la seleccioacuten de materiales de cambio fase a
utilizar la encapsulacioacuten adecuada en base a la aplicacioacuten y propiedades de
disentildeo
En el anaacutelisis del comportamiento energeacutetico de la vivienda en estudio se
observoacute que el PCM adecuado seguacuten la temperatura de fusioacuten estaacute en el rango
de 18 a 22 degC cercano a la temperatura de confort teacutermico Para este estudio se
escogioacute el PCM 22HC ya que su comportamiento es ideal para la vivienda en
estudio arrojando un 319 (de 263 kW a un 179 kW) de reduccioacuten de
potencias maacuteximas de disentildeo en climatizacioacuten De acuerdo al PCM escogido se
analizoacute el comportamiento del consumo energeacutetico en dos sistemas de
climatizacioacuten Caso 1 Sistema calefaccioacuten a lentildea mostro una reduccioacuten del
consumo energeacutetico de 341 (de 3694 kWh a un 2434 kWh) Para el segundo
caso se evaluoacute un sistema de bomba de calor multisplit al igual que en el caso
anterior el material optimo corresponde al PCM 22HC se observa una
disminucioacuten de consumo energeacutetico de un 344 (de 688 kWh a un 451 kWh) en
comparacioacuten al caso base lo que implica una notable reduccioacuten de los consumos
energeacuteticos en la estacioacuten friacutea Ademaacutes junto con los valores de consumo
energeacutetico se evaluoacute los costos de operacioacuten anual arrojando una disminucioacuten
promedio de 34 debido al aporte de los PCM
En general estos resultados sostienen firmemente que es posible mejorar
la eficiencia del ahorro energeacutetico cuando los PCM se instala en los muros
exteriores maximizando los ahorros energeacuteticos Por lo tanto para lograr la
optimizacioacuten de la envolvente de la vivienda con aplicacioacuten PCM la temperatura
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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de fusioacuten fue de 22 deg C y el macro encapsulamiento es de material de aluminio
mejorando su transmitancia teacutermica del flujo de calor en los paneles
constructivos dando como resultado una adecuada actualizacioacuten a la aplicacioacuten
y a la instalacioacuten de los PCM a la vivienda en estudio ubicada en Concepcioacuten
Chile
Los costos de implementacioacuten en la tecnologiacutea pasiva como los PCM tiene
un elevado valor debido al costo del transporte (Alemania) se podriacutea justificar
encargando por mayor estos insumos y aplicarlo a un lote de viviendas
Es importante aplicar el PCM optimizado considerando el enfoque y
variables de disentildeo como la condicioacuten climaacutetica temperatura de fusioacuten de PCM
encapsulamiento y irradiacioacuten solar
La implementacioacuten de esta tecnologiacutea demuestra que aporta en la
reduccioacuten de material particulado en zonas criacuteticas en contaminacioacuten y las
emisiones de CO2 aportando al medio ambiente
Se deberaacute tener en cuenta que las curvas de entalpia y temperatura de los
PCM tanto para refrigeracioacuten y calefaccioacuten deben ser lo maacutes cercana posible de
lo contrario se produciriacutea una histeacuteresis o subenfriamiento y afectariacutea
considerablemente el rendimiento del PCM en su aplicacioacuten
Como investigacioacuten adicional queda por explorar la optimizacioacuten de PCM
aplicado a paredes exteriores con persianas de acristalamiento o invernaderos
adosados al poseer mayor captacioacuten de energiacutea solar tendraacute un mayor
almacenamiento energeacutetico y retraso teacutermico en los muros aplicado con PCM y
obtener una segmentacioacuten de los datos climaacuteticos por zonas para investigar el
comportamiento energeacutetico en aplicaciones pasivas
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
El material de cambio de fase (PCM) es un tipo de material que
experimenta un cambio de fase en este caso de liacutequido a soacutelido a una
temperatura dentro del rango de confort teacutermico Este tipo de material tiene la
capacidad de almacenar grandes cantidades de energiacutea en comparacioacuten con los
materiales de construccioacuten tradicionales que solo almacenan calor sensible Por
ejemplo una pared que contiene PCM con 25 mm de espesor almacena
aproximadamente la misma energiacutea que una pared de concreto con 420 mm de
espesor (Al-Saadi S N amp Zhai Z 2013) Los PCM tienen un gran potencial
para aumentar la inercia teacutermica de un edificio debido a su gran LHS por lo tanto
son especialmente uacutetiles en edificios de construccioacuten livianas en seco como
estructuras reticulares en madera o acero galvanizados (Marin P Saffari M de
Gracia A Zhu X Farid M M Cabeza L F amp Ushak S 2016) Esto permite
que el edificio tenga menor peso un aacuterea uacutetil mayor y auacuten mantenga una alta
inercia teacutermica
Cuando los PCM cambian su estado de liacutequido a soacutelido liberan calor
latente y cuando cambian de soacutelido a liacutequido absorben calor latente Cuando este
proceso ocurre a una temperatura entre 19-27 degC el material contribuye a
aumentar el confort teacutermico porque ayuda a mantener la temperatura interna
dentro de este rango Durante el diacutea cuando hay demasiadas ganancias de
radiacioacuten solar este material cambia su fase de soacutelido a liacutequido absorbiendo
calor y evitando un aumento significativo de la temperatura interior Por la noche
cuando la temperatura exterior baja el material cambia su fase de liacutequido a
soacutelido liberando calor y evitando una gran disipacioacuten de energiacutea en el interior de
la vivienda (Jamil H Alam M Sanjayan J amp Wilson J 2017)
Durante el verano puede ocurrir un sobrecalentamiento en el muro y
hacer que se use un PCM que se derrita a altas temperaturas (alrededor de
26 degC) ya que evitaraacute que la temperatura de una habitacioacuten elevaacutendose por
encima del rango de confort teacutermico Si el objetivo es la estabilizacioacuten de la
temperatura interior en la zona de confort un PCM que se derrita a 23 degC deberiacutea
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
ser la mejor opcioacuten En el invierno puede ser necesario evitar que la temperatura
de una habitacioacuten baje por debajo del rango de confort teacutermico y en este caso
se recomienda un PCM que solidifique alrededor de 21 degC (Soares N Gaspar
A R Santos P amp Costa J 2014)
Esta tecnologiacutea no solo tiene el potencial de ahorrar cantidades
considerables de energiacutea y emisiones de CO2 sino que tambieacuten se puede utilizar
para aprovechar los precios pico de electricidad utilizando las unidades de aire
acondicionado cuando hay una menor demanda en la red eleacutectrica Por ejemplo
en invierno la unidad de aire acondicionado (AC) podriacutea funcionar durante la
noche produciendo calor que seriacutea absorbido por el tablero PCM y luego liberado
por eacutel durante el diacutea cuando los precios de la electricidad son mucho maacutes altos
(Devaux P amp Farid M 2017) Esto tambieacuten como la ventaja de evitar el ruido y
las corrientes de aire causadas por las unidades de CA durante las horas de
trabajo de una oficina
Aunque esta tecnologiacutea tiene un gran potencial en almacenar energiacutea
con respecto a otros materiales existe el problema de la baja transferencia de
calor porque estos materiales generalmente tienen baja conductividad teacutermica lo
que hace que la absorcioacuten y liberacioacuten de calor por parte del PCM sea mucho
maacutes difiacutecil (Fan L amp Khodadadi J M 2011)
Para aprovechar la gran capacidad de almacenamiento de calor latente
la temperatura de una zona debe estar cerca de la temperatura de cambio de
fase de lo contrario un PCM solo almacena calor sensible que es insignificante
en comparacioacuten al calor latente (Chwieduk 2013)
Investigadores concluyen sobre acondicionamiento teacutermico en
envolventes de viviendas utilizando materiales de cambio de fase que la
implementacioacuten adecuada de los PCM en una edificacioacuten puede un 35 reducir
el consumo energeacutetico y por lo tanto es posible usar equipos de
acondicionamiento teacutermico de menor potencia e incluso prescindir de ellos (Bello
R E Muntildeoz M M Vasco C 2015)
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En el desarrollo de aplicaciones para los PCM un investigador disentildeoacute un
muro con material de cambio de fase y para probar su funcionamiento utilizoacute dos
habitaciones ideacutenticas En la primera habitacioacuten los muros teniacutean un enlucido de
yeso normal y en la segunda habitacioacuten el muro poseiacutea una placa de yeso
revestido con micro encapsulacioacuten de PCM (50 butil estearato y 48 palmitato
de butilo) Resultoacute que la habitacioacuten con material cambio de fase una reduccioacuten
energeacutetica de 22 (Scalat S Banu D Hawes D Paris J Haghighata F
Feldman D 1996)
Los investigadores a nivel mundial han creado estrategias para
solucionar el consumo energeacutetico En Chile auacuten no se analiza en forma
sistemaacutetica considerando que seriacutea de gran ayuda para disminuir el consumo
energeacutetico residencial
Por todo lo anteriormente mencionado se establece que esta
investigacioacuten estaraacute orientada al estudio de materiales con cambio de fase
simulando su comportamiento teacutermico de una vivienda en estudio ubicada en la
ciudad de Concepcioacuten de la regioacuten del Biacuteo-Biacuteo utilizando el software Energy Plus
12 Preguntas de investigacioacuten
iquestEs posible disminuir la demanda energeacutetica de una vivienda en estudio
incorporando materiales con cambio de fase
iquestQueacute material PCM es conveniente utilizar en los muros de la vivienda en
estudio
iquestQueacute comportamiento tendraacuten los PCM en la simulacioacuten
13 Hipoacutetesis
Se puede mejorar la habitabilidad y reducir un 30 la demanda energeacutetica
de una vivienda en estudio en la ciudad de Concepcioacuten mejorando el
almacenamiento teacutermico de sus muros incorporando material con cambio de fase
(PCM)
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teacutermica de una viviendardquo
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14 Objetivos
141 Objetivo general
Proponer una metodologiacutea de evaluacioacuten en funcioacuten de la realidad local
que permitiraacute analizar la potencialidad en aplicar los materiales cambio de fase
en las construcciones chilenas contribuyendo a mejorar las condiciones de
habitabilidad
142 Objetivos especiacuteficos
Identificar materiales con cambio de fase (PCM) utilizados como estrategia
de calefaccioacuten pasiva en edificacioacuten Con la validacioacuten de todos los
reglamentos en Chile
Definir el sistema constructivo del muro exterior en cuanto a la ubicacioacuten
del PCM
Definir materiales con cambio de fase en relacioacuten de sus propiedades
teacutermicas para realizar simulacioacuten energeacutetica
Definir metodologiacutea de caacutelculo y estimar ahorros energeacuteticos para la zona
en funcioacuten del material base
Obtener simulaciones de demanda energeacutetica para la vivienda en estudio
con y sin materiales de cambio de fase incorporados en sus muros
mediante el software Energy Plus
Optimizar el disentildeo de la solucioacuten constructiva con PCM en relacioacuten a los
datos de la zonificacioacuten
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CAPITULO II MARCO TEOacuteRICO
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21 Marco Teoacuterico
A continuacioacuten se nombraraacute conceptos esenciales que aborda la
investigacioacuten tales como aislacioacuten teacutermica conductividad teacutermica confort
teacutermico y Inercia teacutermica
Cabe de destacar que la inercia teacutermica juega un papel importante en los
sistemas de calefaccioacuten pasiva ya que el retraso teacutermico puede ser mayor o
menor dependiendo el espesor y materialidad
La inercia teacutermica permite ir liberando el calor acumulado en los elementos
compuestos por materiales pesados en la vivienda de manera tal que durante
la noche cuando la temperatura desciende esta baja sea amortiguada por el calor
cedido
En el verano la envolvente se encuentra expuesta a la radiacioacuten solar y al
soleamiento por lo tanto debe ser capaz de almacenar el calor obtenido desde
el exterior y asiacute evitar que la temperatura en el interior del recinto sea elevada
durante el diacutea generando una peacuterdida de confort (CCHC 2010)
22 Materiales con cambio de fase (PCM)
Un PCM es una sustancia capaz de almacenar y liberar energiacutea del medio
que le rodea manteniendo la temperatura constante durante la transferencia de
calor Este intercambio de energiacutea se denomina calor latente de un material y se
produce durante el cambio de fase del mismo El intereacutes de estos materiales es
que durante el cambio de fase la temperatura media se mantiene constante
mientras el material absorbe o libera energiacutea durante la etapa de fusioacuten o
solidificacioacuten del material Esto supone una mayor densidad energeacutetica en este
proceso respecto a un intercambio por calor sensible
En una investigacioacuten sobre PCM afirma que estos mediante su calor
latente de fusioacuten almacenan de 5 a 14 veces maacutes calor por unidad de volumen
que materiales por almacenamiento de calor sensible como el agua albantildeileriacutea
o rocas entre otras (Sharma 2009)
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
Para la investigacioacuten se estudioacute materiales cambio fase de estado liacutequido-
solido ya que aunque la cantidad de energiacutea almacenada es inferior que entre
otros cambios de estado (solido-gas) la variacioacuten de volumen del estado es
menor
221 Funcionamiento
La mejor forma para explicar el funcionamiento de estos materiales es
estudiando el proceso de cambio de fase del agua en estado liacutequido el agua va
aumentando su temperatura progresivamente hasta alcanzar los 100degC Una vez
alcanza esta temperatura empieza su cambio de estado en el cual absorberaacute
calor pero mantendraacute una temperatura constante de 100degC hasta que finalice su
cambio de fase y todo el liacutequido se haya convertido en vapor De manera inversa
ocurre cuando la temperatura del agua disminuye hasta alcanzar los 0degC En este
caso el agua empezaraacute a liberar calor y durante este proceso mantendraacute su
temperatura constante en 0degC hasta que complete su solidificacioacuten y todo el
liacutequido se haya convertido en hielo (B Zalba J Marin L Cabeza y H Mehling
2003)
En la Figura 21 se observa coacutemo la temperatura se mantiene constante
en 0degC formando una recta horizontal durante su cambio de fase y posteriormente
en 100degC hasta que se convierte en vapor
Figura 21 Diagrama de proceso de cambio de fase Hielo ndash Vapor
Fuente (B Zalba J Marin L Cabeza y H Mehling 2003)
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
Del mismo modo actuacutean los PCM cada uno tiene su propia temperatura
de cambio de fase y gracias a las variaciones de temperatura entre el diacutea y la
noche ocurren los ciclos de fusioacuten y solidificacioacuten de estos materiales resultando
en la absorcioacuten maacutexima de energiacutea durante el diacutea cuando las temperaturas
suben y la disipacioacuten de eacutesta en la noche cuando la temperatura ambiente baja
La energiacutea utilizada para cambiar el estado del material dado que la temperatura
de cambio de fase es aproximada a la temperatura ambiente de confort deseada
daraacute lugar a un clima interior maacutes estable y coacutemodo asiacute como tambieacuten reduciraacute
las cargas de enfriamiento y calefaccioacuten en horas pico especialmente en
aquellas edificaciones con baja masa teacutermica (S E Kalnaes and B P Jelle
2015)
222 Propiedades
A continuacioacuten se describiraacuten las propiedades maacutes relevantes que definen un
material de cambio de fase (Oroacute 2012)
a) Propiedades Termofisica
Temperatura de fusioacuten (Tf) en el rango de funcionamiento seguacuten la
aplicacioacuten
Alto calor latente de fusioacuten (ΔHf) por unidad de volumen
Alto calor especiacutefico para proporcionar calor sensible adicional
significativo
Alta conductividad teacutermica en fase soacutelida y liacutequida (buena transferencia de
calor)
Baja variacioacuten de volumen en el cambio de fase y baja presioacuten de vapor a
la temperatura de funcionamiento
Fusioacuten congruente del material de cambio de fase con cada ciclo de
solidificacioacutenfusioacuten con el miacutenimo sub-enfriamiento
Cambio de fase ciclo continuo con termino de vida uacutetil
Alta densidad
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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b) Propiedades quiacutemicas
Ciclo de solidificacioacutenfusioacuten reversible y completo
Baja degradacioacuten despueacutes de un elevado nuacutemero de ciclos de
fusioacutensolidificacioacuten
No corrosivo para los materiales encapsulados
No toacutexico no inflamable y no explosivo
c) Econoacutemicas
Abundante y disponible
Rentable en relacioacuten al ahorro energeacutetico y costos del material
Faacutecil reciclaje y tratamiento quiacutemicos
223 Almacenamiento de energiacutea teacutermica
La necesidad de almacenamiento energeacutetico y de buscar formas de
acondicionamiento pasivo es lo que inspira a la investigacioacuten a centrarse en el
almacenamiento teacutermico Es fundamental para el desarrollo del paiacutes disminuir la
demanda energeacutetica sin sacrificar el confort (PRIEN 2002)
En esta seccioacuten de la investigacioacuten se daraacute a conocer las formas de
almacenamiento teacutermico existentes y dando eacutenfasis al almacenamiento
energeacutetico por calor latente donde pertenecen los materiales de cambio fase
(PCM)
El equilibrio termodinaacutemico de los PCM se debe principalmente a los
intercambios de calor con el entorno externo El tiempo para que el PCM alcance
el nuevo equilibrio termodinaacutemico es el tiempo necesario para que el calor sea
intercambiado con el espacio a climatizar Los paraacutemetros baacutesicos de los
materiales de cambio de fase incluyen seguacuten ecuacioacuten (1)
bull Capacidad caloriacutefica [J kg]
119876 = int 119862119901119904 119889119905 + 119862119898 + int 119862119901119897 119889119905 cong 119862119901119904(119879119898 minus 1198791) + 119862119898 + 1198792
119879119898
119879119898
1198791
119862119901119897(1198792 minus 1198791)
Ec 1
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
26
Diego Sarabia Meacutendez
Donde 119862119901119904 o 119862119901119897 Calor especiacutefico soacutelido y liacutequido kJ(kg times K) 119862119898 Calor
de transformacioacuten de fase (fusioacuten) kJ(kg times K) Tm - temperatura de transicioacuten
de fase (fusioacuten) T1 T2 rango de temperatura de funcionamiento de operacioacuten
224 Clasificacioacuten
Actualmente existe un gran nuacutemero de materiales cambio fase que han
sido investigados debido a que poseen una temperatura y un alto calor latente
de fusioacuten dentro del rango operacional deseado sin embargo exceptuando por
esta caracteriacutestica la mayoriacutea de estos materiales no satisfacen los otros
criterios necesarios para un medio de almacenamiento adecuado (Sharma
2009)
Aquellos que siacute responden a estas prestaciones y se encuentran disponibles en
el mercado pueden ser clasificados en tres grandes grupos orgaacutenicos
inorgaacutenicos y euteacutecticos (V Tyagi amp D Buddhi 2007)
Figura 22 Clasificacioacuten de los Materiales Cambio Fase
Fuente Elaboracioacuten Propia
Materiales Cambio Fase
Organico
Parafina Acido Graso
Inorganico
Sal Hidratada
Metalico
Eutectico
Inorganico -Inorganico
Inorganico -Organico
Organico -Organico
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
27
Diego Sarabia Meacutendez
Los materiales de cambio de fase liquido-solido maacutes comunes estaacuten en el
rango de temperaturas entre 20degC y 80 degC son las ceras de parafina sales
hidratadas mezclas euteacutecticas y aacutecidos grasos
Las ceras de parafina estaacuten disponibles en el mercado pero su calor
latente (hasta 200 kJkg) es solo la mitad del de las sales hidratadas
Las sales hidratadas son maacutes econoacutemicas que las ceras de parafina y
tambieacuten estaacuten disponibles en el mercado pero tienen algunas desventajas como
las bajas temperaturas de fusioacuten o la corrosioacuten en contacto con metales
En las mezclas euteacutecticas intervienen dos componentes con punto de
fusioacuten (solidificacioacuten) maacutes bajo que el que poseen los compuestos
individualmente Esto hace que la mezcla alcance el punto de congelacioacuten maacutes
bajo posible y ambos se solidifiquen a esa temperatura euteacutectica (Ramiacuterez A
Santos A amp Gonzaacutelez N 2012)
Los PCM tienen una significativa capacidad de almacenar calor por medio
del cambio de estado pero es necesario tener en cuenta los paraacutemetros de
disentildeo del problema y las ventajas y desventajas de los diferentes tipos de
materiales para determinar cuaacuteles son los maacutes apropiados de utilizar en la
construccioacuten dependiendo de sus diferentes caracteriacutesticas y maacutes importante
aun dependiendo de si su temperatura de cambio de fase se acerca a la
temperatura de confort
2241 PCM inorgaacutenicos sales hidratadas
Seguacuten varios investigadores estos materiales fueron muy estudiados en
las primeras etapas de investigacioacuten de PCM por su bajo costo y su capacidad
de almacenamiento de grandes cantidades de calor por unidad de volumen en
comparacioacuten con las sustancias orgaacutenicas que las convierten en candidatos
idoacuteneos para sus muacuteltiples aplicaciones en el aacutembito del almacenamiento de
energiacutea
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
La buacutesqueda de sustancias con temperatura de cambio de fase proacutexima a
la temperatura ambiente no ha encontrado buenos candidatos dentro de este
grupo y las investigaciones se han dirigido maacutes hacia las sustancias orgaacutenicas
Tabla 21 Ventajas e inconvenientes de los PCM inorgaacutenicos
Ventajas Inconvenientes
Econoacutemicos Problemas en el encapsulado y preparacioacuten
del material
Elevada densidad de
almacenamiento teacutermico
Para un uso prolongado necesita de aditivos
Elevada conductividad teacutermica Son susceptibles de sub enfriamiento
(Inestables)
Temperatura de cambio de fase
claramente definida
Debido a la inestabilidad teacutermica y histeacuteresis
se debe aplicar aditivos para evitar una fusioacuten
incongruente en su aplicacioacuten donde puede
reducir su capacidad de almacenamiento de
calor latente
No inflamables Potencialmente corrosivos con algunos
metales
Reciclables y biodegradables
Fuente (Ramiacuterez A Santos A amp Gonzaacutelez N 2012)
Las sales hidratadas tienen algunas propiedades atractivas como los
elevados valores de calor latente no son inflamables y su elevado contenido
hiacutedrico significa que son baratos y muy disponibles Sin embargo sus
caracteriacutesticas de inadaptacioacuten (corrosioacuten inestabilidad dificultades de re-
solidificacioacuten y tendencia al sub enfriamiento) han implicado la realizacioacuten de
estudios hasta la actualidad para poder manejar estas desventajas y realizar su
correcta aplicacioacuten Necesitan por tanto un contenedor para utilizarlos como
aditivos de otros materiales (Ramiacuterez A Santos A amp Gonzaacutelez N 2012)
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
Tabla 22 Temperatura de fusioacuten de algunas sales hidratadas
PCM Temperatura
fusioacuten (ordmC)
Q fusioacuten (kJkg)
KFmiddot4H2O 185 231
Na2SO4middot10H2O 324 254
CaCl2middot6H2O 24ndash29 192
CaCl2middot6H2O+Nucleador+MgCl2middot6H2O 23 -
Fuente (Ramiacuterez A Santos A amp Gonzaacutelez N 2012)
En la tabla 21 se muestran algunas ventajas y desventajas de los PCM
inorgaacutenicos y en la tabla 22 se muestran las temperaturas de fusioacuten de las sales
hidratadas que permiten determinar cuaacuteles son las oacuteptimas para utilizar en
aislacioacuten (las cuales su temperatura de fusioacuten se acerca a la temperatura de
confort)
2242 PCM orgaacutenicos parafinas aacutecidos grasos y mezclas orgaacutenicas
Los PCM orgaacutenicos poseen unas caracteriacutesticas que los hacen muy uacutetiles
en su aplicacioacuten en determinados elementos constructivos para almacenamiento
de calor latente
Investigadores determinaron que son maacutes estables quiacutemicamente que las
sustancias inorgaacutenicas funden y solidifican convenientemente sin necesidad de
agentes nucleadores y no sufren sub-enfriamiento o histeacuteresis (Gawron 1981)
No obstante se ha demostrado que son maacutes compatibles y adecuados para la
adsorcioacuten en varios materiales constructivos Aunque el costo inicial en materia
prima de un PCM orgaacutenico es superior al de un inorgaacutenico su costo final es
competitivo
Sin embargo estos materiales tienen otras desventajas la maacutes
significativa es que son inflamables y que emiten gases nocivos durante su
combustioacuten Otros problemas menos extendidos son las reacciones con los
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
productos de la hidratacioacuten en hormigoacuten (hidroacutexido de calcio) envejecimiento por
oxidacioacuten y cambios de olor
Muchos de estos inconvenientes se han eliminado Se ha visto que el
envejecimiento por oxidacioacuten de los PCM puede inhibirse utilizando un oxidante
adecuado Se estaacute investigando tambieacuten en la emisioacuten de gases y la
inflamabilidad de algunos de los PCM maacutes efectivos para establecer un radio de
ignicioacuten Tambieacuten se estaacute investigando sobre la compatibilidad de los PCM con
el hormigoacuten (Ramiacuterez A Santos A amp Gonzaacutelez N 2012)
En la tabla 23 se muestran algunas ventajas y desventajas de los PCM
orgaacutenicos y en la tabla 24 y 25 se muestran las temperaturas de fusioacuten de las
parafinas y aacutecidos grasos que permiten determinar cuaacuteles son las oacuteptimas para
utilizar en aislacioacuten (las cuales su temperatura de fusioacuten se acerca a la
temperatura de confort)
Tabla 23 Ventajas e inconvenientes de los PCM orgaacutenicos
Ventajas Inconvenientes
Faacuteciles de usar Calor latente y entalpiacutea maacutes bajos
Estabilidad teacutermica y quiacutemica Baja conductividad teacutermica
No sufren subenfriamiento Amplio rango de fusioacuten
No necesitan agente nucleador para
solidificar
Inflamables
No corrosivos Reaccioacuten potencial con hormigoacuten
Reciclables y ecoloacutegicamente inocuos Alto costo
Compatibilidad con materiales de construccioacuten convencionales
Fuente (Ramiacuterez A Santos A amp Gonzaacutelez N 2012)
Dentro de los PCM orgaacutenicos se pueden encontrar tres grupos de
sustancias diferentes parafinas aacutecidos grasos y mezclas orgaacutenicas A
continuacioacuten se presenta una pequentildea descripcioacuten de estos (Ramiacuterez A
Santos A amp Gonzaacutelez N 2012)
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
22421 Parafinas
Las parafinas son esencialmente un alcalino solido refinado Muestran dos
rangos de enfriamiento un rango maacutes estrecho para un breve periodo de tiempo
y un rango maacutes extenso que ocurre durante un periodo maacutes amplio Ambos se
interpretan como una transicioacuten de liacutequido a amorfo-soacutelida y amorfo-solida a
cristalino-solida respectivamente Parte del calor latente total de fusioacuten se
almacena en la sustancia durante cada una de estas transiciones
Tabla 24 Temperatura de fusioacuten de algunas parafinas
PCM Temperatura fusioacuten (ordmC) Q fusioacuten (kJkg)
Hexadecano 18 236
Heptadecano 22 214
Octadecano 28 244
Parafina 20ndash60 200
RT25 25 147
Fuente (Ramiacuterez A Santos A amp Gonzaacutelez N 2012)
22422 Aacutecidos Grasos
Los aacutecidos grasos derivados de productos animales y vegetales estaacuten
constituidos por una larga cadena alifaacutetica maacutes de 12 carbonos Su cadena
alquiacutelica puede ser saturada o insaturada
En general muestran excelentes caracteriacutesticas teacutermicas (punto de fusioacuten
y congelacioacuten) El rango de temperatura de refrigeracioacuten es grande y no se
produce sub enfriamiento aunque en algunos casos se han detectado Estos
materiales sin embargo tienen elevado costo pudieacutendose utilizar en dispositivos
especiales de almacenamiento de calor o frio
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
Tabla 25 Temperatura de fusioacuten de algunos aacutecidos grasos
PCM Temperatura fusioacuten (ordmC) Q fusioacuten (kJkg)
Caacuteprico 315 158
Laacuteurico 42-44 179
Pentadecano 52 159
Miriacutestico 54 190
Palmiacutetico 63 183
Esteaacuterico 70 196
Eritrol 116-118 126
Fuente (Ramiacuterez A Santos A amp Gonzaacutelez N 2012)
2243 Mezclas euteacutecticas
Tambieacuten existen las mezclas euteacutecticas que puede ser la mezcla de 2
PCM orgaacutenicos de 2 PCM inorgaacutenicos o de un PCM Orgaacutenico maacutes un PCM
inorgaacutenico A continuacioacuten en la tabla 26 se muestra la clasificacioacuten de los PCM
Tabla 26 Clasificacioacuten de los PCMs
Tipo PCM Composicioacuten
Orgaacutenicos Compuestos de parafina
Compuestos sin parafina
Inorgaacutenicos Sales hidratadas
Metaacutelicos
Euteacutecticos Orgaacutenico-Orgaacutenico
Orgaacutenico-Inorgaacutenico
Inorgaacutenico-Inorgaacutenico
Fuente (JuarezD Balart R Ferrandiz S amp Garcia D 2012)
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
23 Criterios de seleccioacuten de los Materiales con Cambio se Fase
Es muy importante la correcta seleccioacuten del material de cambio de fase
dependiendo del campo en que se desee utilizar por lo que a continuacioacuten se
presentaran algunos criterios para seleccionar un PCM correctamente Estos
criterios son propuestos seguacuten una investigacioacuten realizada en Espantildea (Ramiacuterez
A Santos A amp Gonzaacutelez N 2012)
a) Fiacutesicas
bull La densidad del liacutequido y del solido deben ser similares y preferiblemente
elevadas para poder almacenar mayor cantidad de calor por unidad de volumen
bull Variacioacuten de volumen (en el cambio de fase) bajo
b) Cineacuteticas
bull Evitar el problema de histeacuteresis subenfriamiento o retardo al inicio de la
solidificacioacuten como ocurre en los PCM inorgaacutenicos que se produce al no ceder
el calor latente de un PCM pese a que su temperatura sea inferior al punto de
congelacioacuten
c) Quiacutemicas
bull El proceso de cambio de fase debe ser totalmente reversible y solo dependiente
de la temperatura
bull Ser quiacutemicamente estables en el tiempo evitando su descomposicioacuten y
contaminacioacuten
bull No presentar segregacioacuten de fases
bull Ser compatibles con los materiales de encapsulado y otros con los que esteacute en
contacto estabilidad quiacutemica para evitar oxidacioacuten descomposicioacuten teacutermica
hidroacutelisis corrosioacuten y otras reacciones
bull No inflamables y resistentes al fuego
d) Teacutermicas
bull La temperatura de cambio de fase debe ser adecuada a cada aplicacioacuten
particular
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
bull Presentar una temperatura de fusioacuten definida o al menos el cambio de fase
debe producirse en un valor discreto o en un pequentildeo intervalo de temperaturas
bull Poseer una gran capacidad de almacenamiento de calor sensible (calor
especiacutefico) en estado soacutelido y liacutequido y elevada entalpia de cambio de fase calor
latente
bull Poseer una alta conductividad teacutermica para facilitar la transferencia de calor
e) Econoacutemicas
bull Estar disponible en grandes cantidades a bajo costo para que sean viables
teacutecnica y econoacutemicamente
bull Tener un razonable ciclo de vida uacutetil de acuerdo con su costo
24 Vida uacutetil del material cambio fase
El tiempo de vida uacutetil de un PCM viene determinado por la cantidad de
ciclos teacutermicos que es capaz de soportar un material manteniendo su estabilidad
teacutermica El PCM es sometido a repetidos ciclos de calentamiento y enfriamiento
en los que el material cambia de fase de soacutelido a liacutequido y posteriormente vuelve
a cambiar de fase de liacutequido a soacutelido Se miden sus propiedades teacutermicas en
temperaturas fusioacuten y entalpias obteniendo el nuacutemero de ciclos en los que las
propiedades teacutermicas del material no variacutean de forma considerable
Tras realizar una exhaustiva buacutesqueda existe muy poca bibliografiacutea
acerca de la degradacioacuten teacutermica de los PCM y la determinacioacuten de su tiempo de
uso especialmente en aplicaciones para edificacioacuten donde la vida uacutetil del material
debe ser elevada
Aunque es complicado conocer la vida uacutetil real de estos materiales y en
queacute momento dejan de conservar sus propiedades adecuadas para las
aplicaciones a las que se destina existen algunos artiacuteculos basados en
experimentos realizados en laboratorios de materiales sometidos a ciclos
teacutermicos acelerados para determinar si en un nuacutemero de ciclos el material
mantiene sus propiedades teacutermicas intactas (temperaturas fusioacuten y entalpias)
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
Algunos materiales son sometidos a 50 100 1000 o hasta 5000 ciclos teacutermicos
Pero el problema es determinar si ese maacuteximo de 5000 ciclos es suficiente para
asegurar que un material seguiraacute cumpliendo su funcioacuten Hasta el momento no
se ha encontrado en la literatura ninguna investigacioacuten donde se ensaye el
material un nuacutemero suficiente de ciclos hasta la peacuterdida de sus propiedades
teacutermicas para poder conocer su vida uacutetil o el nuacutemero de ciclos que es capaz de
soportar el PCM hasta su degradacioacuten
Por todo lo anteriormente expuesto en esta investigacioacuten se ha
considerado la vida uacutetil del material como el mayor nuacutemero de ciclos soportados
por un material obtenidos a partir de los estudios realizados por diferentes autores
en la literatura o fabricante a pesar de no haber llegado a degradarse en su
totalidad
25 Aplicacioacuten en la construccioacuten
El sector de la construccioacuten es el que maacutes beneficios puede obtener de la
utilizacioacuten de materiales con cambio de fase (PCM) ya que tiene importantes
beneficios en ahorro energeacutetico reducir la contaminacioacuten de CO2 y optimizar la
inercia teacutermica en las edificaciones con el objetivo de mejorar la habitabilidad de
los usuarios
La temperatura interior en un edificio depende de las condiciones
exteriores interiores y de las caracteriacutesticas teacutermicas de la edificacioacuten como la
capacidad teacutermica de los materiales que tiene un efecto como el mostrado en la
figura 23 el cual no considera un sistema activo en su anaacutelisis
Figura 23 Estabilizacioacuten de la temperatura interior por el efecto inercia teacutermica
Fuente (M Kenisarin amp K Mahkamov 2007)
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
Actualmente la mayoriacutea de los materiales de construccioacuten son livianos lo
que trae como consecuencia una baja capacidad caloriacutefica La introduccioacuten de
materiales de cambio de fase puede aumentar la inercia teacutermica del edificio sin
aumentar mucho su peso Sin embargo es necesario disponer de aacuterea de
transferencia de calor suficiente para liberar esa energiacutea (Dincer I amp Rosen M
2002) y es imprescindible que se pueda descargar el material por medio de la
ventilacioacuten durante la noche para prevenir el sobrecalentamiento en los
elementos con PCM (M Kenisarin amp K Mahkamov 2007)
La Figura 24 muestra una comparacioacuten entre el espesor de material
requerido para obtener la misma capacidad teacutermica que la obtenida con un
centiacutemetro de PCM
Figura 24 Espesor requerido de distintos materiales Vs Energiacutea teacutermica
Fuente (M Kenisarin amp K Mahkamov 2007)
Las caracteriacutesticas requeridas para el empleo de materiales de cambio de
fase en la edificacioacuten son
0 5 10 15 20 25 30 35 40
Yeso
Madera
Hormigon
Ceramico
Ladrillo
PCM
Espesor (cm)
H (
kJK
g)
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
Temperatura de cambio de fase entre 12 y 25ordmC
Alta estabilidad a los ciclos de cambio de fases debido a la larga vida uacutetil
de los edificios
No corrosivos para reducir el riesgo de fuga de su contenedor y evitar
dantildeos en la estructura del edificio
Considerar la inflamabilidad al fuego y dar soluciones constructivas de
acuerdo a la normativa
Econoacutemicamente viable en funcioacuten de los costos de implementacioacuten y
ahorro energeacuteticos
Una limitacioacuten de los PCM para su aplicacioacuten en la construccioacuten es la
estacionalidad pues el PCM debe ser seleccionado para aplicaciones en
calefaccioacuten pasiva Esta limitacioacuten reduce los beneficios teacutermicos el ahorro
energeacutetico y su viabilidad econoacutemica Investigadores estudiaron un concepto de
doble capa de PCM para que funcionara durante todo el antildeo (A Pasupathy L
Athanasius R Velraj amp RV Seeniraj 2008)
26 Encapsulacioacuten
Uno de los criterios que ha limitado el uso generalizado de los PCM es la
incompatibilidad entre estos materiales y sus contenedores afectando su
estabilidad a largo plazo degradado sus propiedades y provocando la corrosioacuten
de sus recipientes de embalaje Como respuesta a estos inconvenientes han
surgido diferentes teacutecnicas de encapsulacioacuten de los PCM las cuales ofrecen
unas ventajas significativas tales como
Aumento del aacuterea de transferencia de calor
Reduccioacuten de la reactividad hacia el ambiente exterior
Control de los cambios en el volumen eacutestos ocurren dentro de la capsula
No hay absorcioacuten de humedad
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
Los meacutetodos de encapsulacioacuten clasificados de acuerdo a su tamantildeo
pueden ser de dos tipos micro y macro encapsulados (Lane 1986)
261 Microcaacutepsulas
Una investigacioacuten menciona que la micro encapsulacioacuten podriacutea definirse
como el proceso de rodear o envolver una sustancia en otra sustancia a escala
muy reducida produciendo caacutepsulas que van desde 1 μm a 1000 μm de diaacutemetro
Los tres estados de la materia (soacutelidos liacutequidos y gases) pueden ser micro
encapsulado
El material de la membrana exterior debe ser compatible con el PCM y a
su vez ser capaz de hacer frente a la tensioacuten mecaacutenica sobre las paredes del
recipiente provocada por las variaciones de volumen durante el cambio de fase
(S E Kalnaeligs amp B P Jelle 2015)
Por lo general los PCM micro-encapsulados se encuentran
comercialmente disponibles en dos formatos dispersioacuten fluida donde las
caacutepsulas son dispersadas en agua o en polvo en mezclas en seco
La figura 25 muestra en teacuterminos practico la conformacioacuten de la
envolvente de poliacutemero en una cera PCM dimensionando el tamantildeo en ellas
Figura 25 Microcaacutepsulas
Fuente (S E Kalnaes and B P Jelle 2015)
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
262 Macrocaacutepsulas
La macro-encapsulacioacuten hace referencia a PCM encapsulados en
cualquier tipo de recipiente tal como tubos esferas o paneles que pueden ser
incorporados en materiales de construccioacuten o que actuacutean como intercambiadores
de calor por siacute mismos El tamantildeo de estos contenedores es por lo general maacutes
de 1 cm3 almacenando desde varios mililitros hasta varios litros La tecnologiacutea
de macro encapsulacioacuten emplea un proceso de encapsulacioacuten de doble capa
creando una caacutepsula con una configuracioacuten en forma de matriz La principal
ventaja de los envases plaacutesticos es la disponibilidad en el mercado y la facilidad
de producirlos en una gran variedad de formas y con pocas restricciones
geomeacutetricas Ademaacutes son compatibles con la mayoriacutea de PCM incluyendo las
sales hidratadas por lo general no presentan degradacioacuten aunque algunos
materiales orgaacutenicos pueden llegar a suavizarlos (S E Kalnaes and B P Jelle
2015)
El PCM se encuentra confinado por la encapsulacioacuten evitaraacute cambios
volumeacutetricos importantes lo que evita varios riesgos y garantiza la integridad del
componente en el que se insertan las caacutepsulas La barrera polimeacuterica puede ser
de otros materiales por ejemplo como aluminio ya que mejora la compatibilidad
con otros materiales de construccioacuten y evita la corrosioacuten Este tipo de aplicacioacuten
es de faacutecil manejo una clara ventaja de este proceso en relacioacuten a los meacutetodos
de impregnacioacuten e inmersioacuten del iacutetem anterior
Figura 26 Caacutepsulas de macro PCM (Contenedor plano Esfera Placas de
barra doble y placas de aluminio)
Fuente (S E Kalnaeligs amp B P Jelle 2015)
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
CAPITULO III MEacuteTODOS Y METODOLOGIacuteA
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
En este estudio la evaluacioacuten se centra en el anaacutelisis de optimizacioacuten de
la aplicacioacuten PCM a los muros exteriores y dimensionamiento del rendimiento
teacutermico de una vivienda en estudio
Los modelos generados en el software Energy Plus se ingresoacute valores de
los sistemas constructivos de la vivienda en estudio condiciones climaacuteticas
caracterizacioacuten PCM en muros exteriores y caracterizacioacuten macro encapsulacioacuten
de acuerdo con las directrices (DOE 2016) se explica en las siguientes secciones
del capiacutetulo
31 Herramienta de simulacioacuten de energiacutea
Para evaluar los PCM de comportamiento teacutermico variable de la vivienda
en estudio con y sin PCM se utilizoacute el software EnergyPlus v 87
En teacuterminos generales el software puede evaluar una variedad de caacutelculos
destacados como los caacutelculos de puentes teacutermicos HVAC integrado y
simulaciones de carga de construccioacuten confort teacutermico y materiales con
conductividad teacutermica variable como el PCM (DB Crawley LK Lawrie FC
Winkelmann WF Buhl YJ Huang amp CO Pedersen 2001) Ademaacutes hay
muchas opciones para la conveccioacuten de la superficie interior y exterior
algoritmos infiltracioacuten avanzada e ventilacioacuten energiacutea desarrollada costos del
ciclo de vida algoritmos avanzados de confort teacutermico como como la calidad del
aire interior y el confort teacutermico para los ocupantes (DB Crawley JW Hand M
Kummert amp BT Griffith 2008)
Para analizar el comportamiento teacutermico variable de los PCM en estudio
se utilizoacute el algoritmo de diferencia finita de conduccioacuten (CondFD) Este algoritmo
modela la transferencia de calor en presencia de PCM y junto con la ecuacioacuten (2)
discretiza la envolvente del edificio en varios nodos para resolver numeacutericamente
la transferencia de calor en el software se puede escoger ecuaciones por un
esquema totalmente impliacutecito y el Crank-Nicolson que es semi-impliacutecito (KO
Lee 2016)
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
42
Diego Sarabia Meacutendez
En esta investigacioacuten se utiliza un esquema Crank-Nicolson para simular
PCM para un material homogeacuteneo con espaciado uniforme de nodos como se
muestra en la ecuacioacuten (2) (3) y (4) extraiacutedo del manual del software
EnergyPlus (DOE 2016)
119862119901120588∆119909119879119894
119895+1minus 119879119894
119895
∆119905= (119896119908
119879119894+1119895+1
minus 119879119894119895+1
∆119909+ 119896119864
119879119894minus1119895+1
minus 119879119894119895+1
∆119909+ 119896119908
119879119894+1119895
minus 119879119894119895
∆119909+ 119896119864
119879119894minus1119895
minus 119879119894119895
∆119909)
Ec 2
∆119909 = radic119888120572∆119905 Ec 3
Donde Cp y ρ son el calor especiacutefico y la densidad del material Δ119909 es el
espesor de capa de diferencia finita Δ119905 es el paso de tiempo 119879 es la temperatura
de un nodo 119894 119894 + 1 y 119894 minus 1 son los nodos adyacentes al interior y exterior
respectivamente de una capa de material 119895 y 119895 + 1 son los pasos de tiempo
anterior y nuevo 119896119908 y 119896119864 representan las conductividades teacutermicas 119896119908 =
119896119894+1119895+1
+119896119894119895+1
2 y 119896119864 =
119896119894minus1119895+1
+119896119894119895+1
2 120572 es la difusividad teacutermica del material y 119888 es la
constante de discretizacioacuten del espacio que puede definir el usuario (3 es el valor
predeterminado para esta constante seguacuten manual)
Esta investigacioacuten considera el uso de paneles PCM por lo tanto el
algoritmo CondFD ecuacioacuten (2) debe combinarse con una funcioacuten de temperatura
de entalpiacutea ℎ = ℎ (119879) estos datos en la funcioacuten se obtendraacuten de acuerdo al estudio
bibliograacutefico El algoritmo usa esta funcioacuten para actualizar el calor especiacutefico
equivalente (119862119901) en cada paso de tiempo como se muestra en la ecuacioacuten (4)
lowast 119862119901(119879) =ℎ119894
119895minus ℎ119894
119895minus1
119879119894119895
minus 119879119894119895minus1
Ec 4
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
43
Diego Sarabia Meacutendez
32 Descripcioacuten Vivienda en estudio
En este apartado se define los sistemas constructivos de la vivienda en
estudio con y sin PCM para obtener la liacutenea base de comparacioacuten
En la figura 31 se muestra el disentildeo de vivienda en estudio de 56 m2 y
los espacios interiores con su distribucioacuten de aacutereas veacutease en la tabla 31 esta
vivienda se configuro de acuerdo a las soluciones constructivas acreditadas
(MINVU Soluciones constructivas acreditadas al fuego teacutermico y acuacutestico
2020)
Las caracteriacutesticas de la envolvente de la vivienda en estudio cuentan con
la configuracioacuten miacutenima de la reglamentacioacuten teacutermica que actualmente rige en
Chile estaacute establecida en la Ordenanza General de Urbanismo y Construcciones
en su artiacuteculo 4110 y en una zonificacioacuten del paiacutes en zonas teacutermicas seguacuten
grados-diacutea especificados en el manual de aislamiento teacutermico (MINVU Manual
de aplicacioacuten y reglamentacoacuten teacutermica 2017) Los complejos de techumbres
muros perimetrales y pisos inferiores ventilados entendidos como elementos que
constituyen la envolvente de la vivienda deberaacuten tener una transmitancia teacutermica
ldquoUrdquo igual o menor o una resistencia teacutermica total ldquoRtrdquo igual o superior a la
sentildealada para la zona que le corresponda al proyecto de arquitectura de acuerdo
con los planos de zonificacioacuten teacutermica corresponde a zona 4 y se verifica lo
anteriormente expuesto en la tabla 32 cabe sentildealar que los valores de
transmitancia teacutermica se extrajeron de acuerdo a las ecuaciones de balance
teacutermico que estaacute incorporado en el software
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
44
Diego Sarabia Meacutendez
Figura 31 Descripcioacuten Vivienda en estudio
Elaboracioacuten Propia - Software Revit
A continuacioacuten se muestra las dimensiones que tiene cada espacio de las
dos torres del edificio en las siguientes tablas
Tabla 31 Resumen superficies de los distintos espacios vivienda en estudio
Torre A
Lugar Superficie (119950120784) Altura (m)
Dormitorio Primario 8 24
Dormitorio Secundario 7 24
Cocina 9 24
Living - Comedor 28 24
Bantildeo 3 24
TOTAL 56
Fuente Elaboracioacuten Propia
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
45
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Tabla 32 Cumplimiento de la envolvente elementos constructivos de la vivienda en estudio
Elemento Materiales (exterior al
interior)
Espesor (m)
Transmitencia teacutermica Valor U (Wm2K)
Transmitencia teacutermica exigida Valor U (Wm2K)
Muro Exterior
Siding
Fibrocemento
0006
0672
17
Plancha OSB 0009
Entramado
madera pino 2x3
0075
Lana de vidrio 005
Caacutemara no
ventilada
(Ubicacioacuten del
PCM)
0026
Placa yeso cartoacuten 0015
Muro Interior
Placa yeso cartoacuten 0015
0677
17
Entramado
madera pino 2x2
0075
Lana de vidrio 005
Placa yeso cartoacuten 0015
Techumbre
Plancha Zincalum 0035
0316
038
Fieltro 0005
Plancha OSB 0009
Entramado madera pino 2x2
0075
Lana de Vidrio 005
Placa yeso cartoacuten 00125
Piso en contacto
con el terreno
Radier Hormigoacuten 02 17 No aplica
Fuente Elaboracioacuten Propia
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
46
Diego Sarabia Meacutendez
Para integrar el PCM con la vivienda en estudio se configuro las
propiedades teacutecnicas y la ubicacioacuten optima interna del PCM al panel externo
constructivo donde se administroacute en el modelo de simulacioacuten veacutease en la Figura
313 y figura 38
321 Meacutetodo de zona en software EnergyPlus
El modelo de construccioacuten creado se utilizoacute el meacutetodo de zona donde
todas las zonas fueron modeladas con informacioacuten completa en construccioacuten
ocupacioacuten equipamiento y HVAC
Al iniciar el modelo se elige la ubicacioacuten y el tipo de anaacutelisis Despueacutes se
debe ingresar un nombre al sitio y a cada zona Ademaacutes se puede asignar varios
edificios bajo el mismo sitio cada uno con su propio nombre Una vez definido lo
anterior se genera bloque que generalmente representa un piso o nivel planta
para este estudio se genera bloque de acuerdo a la figura 32
Figura 32 Modelo de zona en casa de estudio
Fuente Elaboracioacuten Propia
La fase de zonificacioacuten separa las diferentes zonas teacutermicas Para el
modelo cada suite se considera una zona El meacutetodo de zona permite asignar
diferentes horarios operativos a cada zona Cada una de las paredes de cada
bloque se llama superficie y ventanas o puertas como sub-superficies o
aberturas La vivienda se muestra parcialmente en la Figura 33
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
47
Diego Sarabia Meacutendez
Figura 33 Zona y sub-superficie de vivienda en estudio
Fuente Elaboracioacuten Propia
El software da la posibilidad de elegir los materiales utilizados en la
construccioacuten de la vivienda a traveacutes de sus bibliotecas de materiales o pueden
ser creados por el usuario y los materiales elegidos son asignado a las partes
especificadas de la vivienda Estos pasos se repitieron en todos los pisos para
completar todo el modelo de construccioacuten
33 Datos meteoroloacutegicos
El modelo de simulacioacuten se mantuvo en base a los datos meteoroloacutegicos
con formato EPW en Energy plus se definioacute la ubicacioacuten Concepcioacuten Chile Con
el objetivo de evaluar el rendimiento teacutermico y analizar la optimizacioacuten de la
posicioacuten del PCM al muro exterior de la vivienda en estudio Las configuraciones
de los datos meteoroloacutegicos se muestran en la Figura 34
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
48
Diego Sarabia Meacutendez
Figura 34 Configuracioacuten datos meteoroloacutegico
Fuente Elaboracioacuten Propia
34 Jornadas de ocupacioacuten
Para realizar la simulacioacuten energeacutetica se deben definir una serie de
planillas de ocupacioacuten de los recintos uso de luminaria y equipos En estas
planillas de ocupacioacuten se define el ciclo horario para todos los diacuteas del antildeo
Esto se realiza con la finalidad de establecer los periodos en los que
influyen los distintos tipos de cargas internas en la vivienda
A continuacioacuten se adjunta a modo de ejemplo la figura 35 en la cual se
puede ver el menuacute de configuracioacuten de las plantillas de ocupacioacuten
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
49
Diego Sarabia Meacutendez
Figura 35 Planilla de uso horario de un recinto
Fuente Elaboracioacuten propia
35 Configuracioacuten envolvente por elemento y sistemas de climatizacioacuten
Definidos las zonas y multi zonas del modelo se deberaacute configurar los
sistemas constructivos en sus propiedades teacutermicas y dimensiones El software
automaacuteticamente genera el caacutelculo de transmitancia teacutermica anaacutelisis de
condensacioacuten y dimensioacuten en imagen por elemento Veacutease en la figura 36
Para configurar el sistema de climatizacioacuten primero se debe definir los
rangos de temperatura confort teacutermico en la pestantildea de actividades del software
Veacutease figura 37 A continuacioacuten se define el tipo de sistema de climatizacioacuten
definiendo las horas de operacioacuten tipo combustible y rendimiento del sistema
como se muestra en la figura 38
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
50
Diego Sarabia Meacutendez
Figura 36 Planilla configuracioacuten envolvente por elemento
Fuente Elaboracioacuten propia
Figura 37 Planilla configuracioacuten rango de temperatura confort teacutermico
Fuente Elaboracioacuten propia
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
Figura 38 Planilla configuracioacuten del tipo de sistema de climatizacioacuten
Fuente Elaboracioacuten propia
36 Caracterizacioacuten PCM
En este estudio se utilizoacute placas PCM tipo orgaacutenico de parafina tiene una
relacioacuten de mezcla de n-octadecano a n-heptadecano seleccionado debido a la
eficiencia energeacutetica con temperatura cercana al confort teacutermico (12ndash26 deg C)
basado en ISO 13790 (KO Lee 2016)
Seguacuten el estado de arte existente se definioacute los tres materiales de cambio
de fase los cuales son candidatos idoacuteneos para utilizar en esta investigacioacuten
Estos materiales han sido estudiados por diversos autores con el fin de obtener
sus propiedades termofiacutesicas y usarlas en la edificacioacuten La razoacuten de utilizar estos
materiales es debido a sus propiedades teacutermicas y el que su temperatura de
fusioacuten es cercana a la temperatura de confort
Ademaacutes la vida uacutetil del PCM es de 13 antildeos seguacuten su ciclo de cambio
fase considerando 365 cambios fase anual el cual se justifica con los costos de
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
52
Diego Sarabia Meacutendez
inversioacuten al implementar esta tecnologiacutea dependiendo de la magnitud del flujo
de calor el cuaacutel se quiere operar
Las especificaciones teacutecnicas de las placas PCM y el comportamiento de
temperaturas y entalpias de operacioacuten se describen en la tabla 33 las cuales se
vinculan con el algoritmo CondFD de la ecuacioacuten (2) para evaluar su rendimiento
energeacutetico en la vivienda en estudio
361 Seleccioacuten de Materiales Cambio Fase
Tabla 33 Especificaciones teacutecnicas de PCM a utilizar
Caracteriacutesticas RT18HC
Valores Unidades Grafica entalpia y Temperatura
Temperatura de Fusioacuten
18
degC
Almacenamiento de calor
260 [kJkg]
Capacidad calor especifico
2 [kJkgK]
Densidad solido (a los 15degC)
088 [kgl]
Densidad solido (a los 25degC)
077 [kgl]
Conductividad teacutermica
(Ambas fases)
02 [W(mK)]
Expansioacuten de Volumen
125
Maacutexima temperatura operacioacuten
50 degC
Ciclo Cambio fase
5000 -
Caracteriacutesticas RT21HC
Valores Unidades Grafica entalpia y Temperatura
Temperatura de Fusioacuten
21
degC
Almacenamiento de calor
155 [kJkg]
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
Capacidad calor especifico
2 [kJkgK]
Densidad solido (a los 15degC)
088 [kgl]
Densidad solido (a los 25degC)
077 [kgl]
Conductividad teacutermica
(Ambas fases)
02 [W(mK)]
Expansioacuten de Volumen
12
Maacutexima temperatura operacioacuten
45 degC
Ciclo Cambio fase
5000 -
Caracteriacutesticas RT22HC
Valores Unidades Grafica entalpia y Temperatura
Temperatura de Fusioacuten
22
degC
Almacenamiento de calor
190 [kJkg]
Capacidad calor especifico
2 [kJkgK]
Densidad solido (a los 15degC)
076 [kgl]
Densidad solido (a los 25degC)
070 [kgl]
Conductividad teacutermica
(Ambas fases)
02 [W(mK)]
Expansioacuten de Volumen
125
Maacutexima temperatura operacioacuten
50 degC
Ciclo Cambio fase
5000 -
Fuente (Rubitherm 2020)
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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362 Configuracioacuten del PCM en EnergyPlus
De acuerdo al estudio bibliograacutefico de los materiales cambio fase para
ingresar los datos al software se debe definir las cantidades de temperatura de
operacioacuten identificar el punto de fusioacuten en las graacuteficas de entalpia y temperatura
de la tabla 33 conductividad teacutermica calor especifico densidades y espesor en
el elemento constructivo con el fin de determinar el flujo de calor de operacioacuten
de acuerdo al balance termodinaacutemico de la ecuacioacuten (2) A continuacioacuten se
adjunta a modo de ejemplo la figura 39 en la cual se puede ver el menuacute de
configuracioacuten
Figura 39 Configuracioacuten del PCM en el software
Fuente Elaboracioacuten Propia
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
363 Cotizacioacuten PCM RT21
La inversioacuten total del material cambio fase es de $1106679
correspondiente a 160 kg con transporte incluido Se observa que el costo de
transporte afecta considerablemente en su valor (Alemania)
Se realizoacute cotizacioacuten del material RT21 en la empresa alemana Rubitherm
se presenta en la figura 310
Figura 310 Cotizacioacuten del material RT21
Fuente (Rubitherm 2020)
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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37 Caracterizacioacuten Macro encapsulacioacuten
En esta seccioacuten la placa de macro encapsulacioacuten utilizada para el PCM
es de materialidad de aluminio veacutease figura 311 esto aumenta la transferencia
de calor en los PCM Son dos placas que estaacuten unidas entre siacute Se unen en dos
puntos centrados y se pegan en sus marcos Pueden ser utilizados para PCM
(orgaacutenico - inorgaacutenico) Por lo tanto se puede ofrecer un rango de temperatura
para una variedad de aplicaciones El grosor depende del volumen de llenado y
por lo tanto de la capacidad de almacenamiento Para el estudio se seleccionoacute
el modelo CSM105 Rubitherm el cual su espesor es de 15 mm y puede
almacenar 2 Kg de PCM por placa
Figura 311 Modulo Almacenamiento Macro encapsulacioacuten de aluminio
Fuente (Rubitherm 2020)
371 Cotizacioacuten Macro encapsulacioacuten
La inversioacuten total de la Macro encapsulacioacuten de aluminio modelo CSM105
Rubitherm es de $ 4326306 correspondiente a 150 unidades con transporte
incluido Se observa que el costo de transporte afecta considerablemente en su
valor (Alemania) Se realizoacute cotizacioacuten de los elementos de Macro encapsulacioacuten
de aluminio modelo CSM105 Rubitherm se presenta en la figura 312
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
57
Diego Sarabia Meacutendez
Figura 312 Cotizacioacuten Macro encapsulacioacuten
Fuente (Rubitherm 2020)
38 Validacioacuten muro constructivo con PCM
De acuerdo a los estudios del estado de arte y conocimientos teacutecnicos se
validoacute el sistema constructivo propuesto del muro exterior en el cumplimiento de
resistencia al fuego de acuerdo al cataacutelogo de soluciones constructivas del
MINVU y de la Ordenanza General de Urbanismo y Construcciones (OGUC)
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
381 Cumplimiento de la OGUC y Resistencia al fuego
Dentro de las exigencias a cumplir por la OGUC se tiene la resistencia
al fuego en elementos constructivos seguacuten el tipo de recinto Para el caso del
muro de la vivienda en estudio se hace el siguiente anaacutelisis
De la tabla Ndeg34 seguacuten ldquodestino del edificiordquo ldquosuperficie edificada (m2)rdquo y
ldquonuacutemero de pisosrdquo se obtiene una clasificacioacuten (a b c y d) seguacuten corresponda
En el caso de estudio se tiene una vivienda de 1 piso por lo que el destino
es ldquoHabitacionalrdquo y por nuacutemero de pisos se establece una clasificacioacuten ldquodrdquo
Tabla 34 Clasificacioacuten de los edificios seguacuten su destino superficie edificada y
nuacutemero de pisos Destino del Edificio Superficie Edificada (m2) Nuacutemeros de Pisos
1 2 3 4 5 6 7 o mas
Habitacional Cualquiera d d c c b a a
Hoteles Sobre 5000 c b a a a a a
Sobre 1500 y hasta 5000 c b b b a a a
Sobre 500 y hasta 1500 c c b b a a a
Hasta 500 d c b b a a a
Oficinas Sobre 1500 c c b b b a a
Sobre 500 y hasta 1500 c c c b b b a
Hasta 500 d c c b b b a
Museos Sobre 1500 c c b b b a a
Sobre 500 y hasta 1500 c c c b b b a
Hasta 500 d c c b b b a
Clinica Hospitales y Lab Sobre 1000 c b b a a a a
Hasta 1000 c c b b a a a
Policlinicos Sobre 400 c c b b b b a
Hasta 400 d c c b b b a
Restaurante Sobre 500 b a a a a a a
Sobre 250 y hasta 500 c b b a a a a
Hasta 250 d c c b b a a
Locales Comerciales Sobre 500 c b b a a a a
Sobre 200 y hasta 500 c c b b a a
Hasta 200 d c b b b a a
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Bibliotecas Sobre 1500 b b a a a a a
Sobre 500 y hasta 1500 b b b a a a a
Sobre 250 y hasta 500 c b b b a a a
Hasta 250 d c b b a a a
Automotoras Cualquiera d c c b b b a
Edificio Estacionamiento Cualquiera d c c c b b a
Fuente (MINVU Soluciones constructivas acreditadas al fuego teacutermico y
acuacutestico 2020)
Para lograr obtener la resistencia al fuego necesaria se debe utilizar
ademaacutes la tabla 34 la cual utilizo como criterios la clasificacioacuten obtenida de la
tabla 35 y el tipo de elemento constructivo
Tabla 35 Resistencia al fuego para diferentes elementos de construccioacuten Elementos de Construccioacuten
Tipo (1) (2) (3) (4) (5) (6) (7) (8) (9)
A F-180 F-120 F-120 F-120 F-120 F-30 F-60 F-120 F-60
B F-150 F-120 F-90 F-90 F-90 F-15 F-30 F-90 F-60
C F-120 F-90 F-60 F-60 F-60 - F-15 F-60 F-30
D F-120 F-60 F-60 F-60 F-30 - - F-30 F-15
Fuente (MINVU Soluciones constructivas acreditadas al fuego teacutermico y
acuacutestico 2020) Simbologiacutea
Elementos verticales
(1) Muros cortafuego
(2) Muros zona vertical de seguridad y caja de escalera
(3) Muros caja de ascensores
(4) Muros divisorios entre unidades (hasta la cubierta)
(5) Elementos soportantes verticales
(6) Muros no soportantes y tabiques
Elementos verticales y horizontales
(7) Escaleras
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
60
Diego Sarabia Meacutendez
Elementos Horizontales
(8) Elementos soportantes horizontales
(9) Techumbre incluido cielo falso
Para el caso de los muros que dan al exterior de la vivienda en estudio se
considera en la categoriacutea (5) y seguacuten la clasificacioacuten obtenida de la tabla 35 (d)
se tiene un grado de resistencia al fuego F-30
Para cumplir con esta exigencia se utiliza una solucioacuten del cataacutelogo de
soluciones constructivas del MINVU la cual se presenta a continuacioacuten
Tabla 36 Tabique perimetral estructura madera en vivienda en estudio
A233014 Tabique Estructura Madera Volcanita 15 mm RF Placa
OSB 9 mm Siding Volcan 6 mm Aislanglas R122 50 mm
Elemento estaacute formado por una estructura de madera hecha con listones de pino
radiata de 2rdquo x 3rdquo en bruto Consta de 5 pie-derechos distanciados entre ejes
cada 06 m dos cadenetas distanciadas entre ejes cada 08 m una solera inferior
y otra superior Esta estructuracioacuten esta forrada por una de sus caras con una
plancha de yeso-cartoacuten ldquoVolcanita RFrdquo de 15 mm de espesor La otra cara esta
forrada con una placa de madera OSB de 9 mm de espesor y como terminacioacuten
en esta cara lleva unas fajas horizontales de fibrocemento ldquoSiding Volcanrdquo tipo
tinglado de 190 mm de ancho y 6 mm de espesor Todo el conjunto esta
atornillado a la estructura de madera Esta conformacioacuten deja espacios libres en
el interior del panel estaacuten rellenos con una manta de lana de vidrio tipo rollo libre
R122 de 50 mm de espesor de densidad media aparente de 14 kgm3 Las
dimensiones para el ensayo fue 22 de ancho x 24 de alto y 105 mm de espesor
INSTITUCION Ndeg Informe Lab Fecha Resistencia Inscripcioacuten
Volcaacuten SA 374721 IDIEM 26-06-96 F-30 2015
Fuente (MINVU Soluciones constructivas acreditadas al fuego teacutermico y
acuacutestico 2020)
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
61
Diego Sarabia Meacutendez
Otra de las exigencias por parte de la OGUC es el cumplimiento de la
reglamentacioacuten teacutermica mostrado en la tabla 32 para esto se compara las
transmitancias teacutermicas exigidas con las envolventes de los elementos
constructivos de la vivienda en estudio Para el caso del muro donde se
incorporaraacute el PCM se seleccionoacute de acuerdo al listado de soluciones
constructivas del MINVU para validar la resistencia al fuego En la figura 313 se
visualiza las componentes de la envolvente del muro con PCM
Figura 313 Sistema Constructivo Muro exterior con PCM en vivienda estudio
Fuente Elaboracioacuten Propia
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
CAPITULO IV RESULTADOS Y DISCUSIOacuteN
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
63
Diego Sarabia Meacutendez
En este segmento se evaluoacute el comportamiento energeacutetico de los
materiales cambio fase mediante el software Energy Plus Los materiales cambio
fase se produce dentro de placas de macro encapsulacioacuten de aluminio al interior
de los muros exteriores
Por lo tanto se observoacute el aporte energeacutetico de los materiales cambio fase
en un sistema activo de calefaccioacuten optimizando los sistemas constructivos en
la vivienda en estudio y dar respuesta a su aplicacioacuten en acondicionamiento
ambiental
41 Comportamiento Energeacuteticos de los materiales cambio fase
A continuacioacuten se comparoacute el comportamiento energeacutetico de dos sistemas
de climatizacioacuten con el aporte energeacutetico pasivo de los distintos materiales
cambio fase en una vivienda en estudio
411 Rendimiento energeacutetico de calefaccioacuten con y sin PCM
Para evaluar el comportamiento energeacutetico se definioacute la temperatura de
fusioacuten de los PCM en el rango de 18 a 22degC el aporte energeacutetico de los PCM
ayudo a mantener constante la temperatura confort de 21degC en la vivienda y
reducir los consumos energeacuteticos del sistema activo para este estudio se
escogioacute dos sistemas de climatizacioacuten caso 1 calefaccioacuten a lentildea con un η=07 y
caso 2 Climatizacioacuten por bomba de calor η=27 esta seleccioacuten se debe a que el
sistema de calefaccioacuten a lentildea es el maacutes usado en la zona genera una alta
contaminacioacuten ambiental por su combustioacuten en material particulado es el
combustible maacutes econoacutemico por unidad de energiacutea y su inversioacuten es accesible
en cambio los equipos de bomba calor tienen un mayor rendimiento energeacutetico
tiene menos impacto al medio ambiente y su inversioacuten es costosa
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
64
Diego Sarabia Meacutendez
La figura 41 (a) muestra las potencias maacuteximas de disentildeo en
climatizacioacuten comparando la liacutenea base con la implementacioacuten de materiales
PCM en vivienda en estudio ubicado en Concepcioacuten Chile A traveacutes de este
anaacutelisis se identificoacute una disminucioacuten en su potencia de disentildeo de 319 (de
263 kW a un 179 kW) con respecto al caso base
Figura 41 (a) Potencia maacutexima disentildeo con y sin PCM en vivienda estudio
Fuente Elaboracioacuten Propia
En la figura 41 (b) y (c) se realizoacute la comparacioacuten de distintos tipos de
materiales PCM con un rango de temperatura de fusioacuten entre 18 degC a 22degC para
determinar cuaacutel es maacutes eficiente en funcioacuten de las variables de disentildeo
emplazamientos y propiedades teacutermicas
Para el primer caso se evaluoacute el sistema de calefaccioacuten a lentildea y el rol
clave de estos materiales PCM es reducir el consumo energeacutetico y el kgCO2
generado por la combustioacuten En los resultados se visualizoacute que el material cambio
fase optimo corresponde al PCM 22HC arrojando una reduccioacuten del consumo
energeacutetico de 341 (de 3694 kWh a un 2434 kWh) en comparacioacuten al caso base
CocinaDormitorioSecundario
DormitorioPrimario
Living-Comedor
Bantildeo
Sin PCM 03 037 047 129 02
Con PCM 017 027 033 087 015
0
02
04
06
08
1
12
14
Dem
ada
En
erge
tica
(k
W)
Potencia Maxima de Disentildeo
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
65
Diego Sarabia Meacutendez
Para el segundo caso se evaluoacute un sistema de bomba de calor multisplit
al igual que en el caso anterior el material optimo corresponde al PCM 22HC se
observoacute una disminucioacuten de consumo energeacutetico de un 344 (de 688 kWh a un
451 kWh) en comparacioacuten al caso base
Para ambos casos se observoacute una notable reduccioacuten de los consumos
energeacuteticos en estacioacuten friacutea
Figura 41 (b) Caso 1 - Consumo energeacutetico en calefaccioacuten Lentildea con y sin
PCM en vivienda estudio
Fuente Elaboracioacuten Propia
Ene Feb Mar Abr May Jun Jul Ago Sept Oct Nov Dic
Sin PCM 75 79 138 267 477 604 626 498 408 271 147 104
PCM 18 37 34 73 188 424 579 602 440 347 185 85 60
PCM 21 31 27 64 167 397 547 570 405 313 161 71 53
PCM 22 13 11 39 138 354 506 528 357 275 130 49 34
0
200
400
600
800
1000
Co
nsu
mo
Co
mb
ust
ible
(k
Wh
)
Consumo Combustible Lentildea Mensual
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
66
Diego Sarabia Meacutendez
Figura 41 (c) Caso 2 - Consumo energeacutetico Bomba de calor con y sin PCM en
vivienda estudio
Fuente Elaboracioacuten Propia
Se identificoacute que la temperatura de fusioacuten maacutes baja de los PCM no es
viable en la optimizacioacuten del sistema pasivo en climatizacioacuten podriacutea ser explicado
por las variables temperatura exteriores dependiendo de las condiciones
climaacuteticas por su emplazamiento Por ejemplo de acuerdo con las cargas
maacuteximas de calefaccioacuten se debe a que la energiacutea en invierno aumento
estableciendo las temperaturas de confort teacutermico esta es una variable de
seleccioacuten del PCM que serviraacute para optimizar el disentildeo en funcioacuten del confort
teacutermico disminuyendo demanda energeacutetica perdidas caloriacuteficas y consumos
energeacuteticos de sistemas de calefaccioacuten activos
Seguacuten el estado de arte otro punto importante a comentar es tener en
cuenta que las curvas de entalpia y temperatura tanto para refrigeracioacuten y
calefaccioacuten deben ser lo maacutes cercana posible de lo contrario se produciriacutea una
Ene Feb Mar Abr May Jun Jul Ago Sept Oct Nov Dic
Sin PCM 14 15 26 50 89 112 116 92 78 50 27 19
PCM 18 7 6 14 35 79 107 112 82 64 34 16 11
PCM 21 57 5 12 31 74 101 106 75 58 30 13 10
PCM 22 23 2 72 256 66 936 976 662 511 24 9 63
0
20
40
60
80
100
120
Co
nsu
mo
Co
mb
ust
ible
(k
Wh
)Consumo Combustible Bomba de calor Mensual
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
67
Diego Sarabia Meacutendez
histeacuteresis o sub enfriamiento y afectariacutea considerablemente el rendimiento del
PCM en su aplicacioacuten
Para la implementacioacuten de sistemas activos sustentables en climatizacioacuten
se demuestra en el estudio que el aporte energeacutetico de los PCM es mantener la
temperatura constante dentro de los espacios interiores y ayudan tambieacuten a bajar
considerablemente los consumos energeacuteticos y es un aporte al medio ambiente
Para sistemas pasivos la eficiencia en los PCM en los muros exteriores
podriacutea incrementarse sugiriendo que haya acristalamiento a base de muros
cortina durante el diacutea lleva al PCM al proceso de cambio de fase de manera
estable en el tiempo debido a su almacenamiento teacutermico (F Ascione RF De
Masi F de Rossi S Ruggiero amp GP Vanoli 2016)
Ademaacutes la disminucioacuten de un 319 en potencia maacutexima de disentildeo para
equipos de climatizacioacuten arrojado en este estudio y un promedio de 33 en
reduccioacuten en consumo energeacutetico en los dos casos de climatizacioacuten propuestos
se puede inferir que los materiales cambio fase es capaz de contribuir a eficiencia
energeacutetica
412 Inversioacuten inicial y costos operativos en sistemas de calefaccioacuten con y sin PCM
Se hizo un anaacutelisis de los principales costos asociados a la adquisicioacuten de
los equipos y operacioacuten de eacutestos No se consideraraacute valor residual o de
salvamiento Para poder comparar la vida uacutetil a usar seraacute de 10 antildeos
Al obtener los valores de consumos energeacuteticos en las simulaciones de
los casos propuestos se visualiza una aproximacioacuten en demostrar el beneficio
econoacutemico que aporta los PCM a los sistemas activos Vease en figura 42
En el caso 1 sistema de calefaccioacuten a lentildea se observoacute una disminucioacuten
en los costos de operacioacuten anual de un 341 (de $88656 a un $58416)
($ 24 por kWh) (BES 2017) y en el caso 2 sistema de climatizacioacuten por bomba
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
calor se observoacute una disminucioacuten en los costos de operacioacuten anual de un 344
(de $72928 a un $47795) ($ 106 por kWh) (BES 2017)
Figura 42 Inversioacuten inicial y costos operativos sistema climatizacioacuten con y sin
PCM en vivienda estudio
Fuente Elaboracioacuten Propia
42 Propuesta de aplicacioacuten PCM a caso base como sistema de actualizacioacuten
Seguacuten los resultados del comportamiento energeacutetico de la vivienda en
estudio con y sin PCM Se identificoacute un enfoque diferente e innovador para
sistemas pasivos de acondicionamiento ambiental o el aporte energeacutetico
significativo de los PCM a los sistemas activos para mantener su temperatura
constante en su operacioacuten
Una correcta ubicacioacuten del PCM a los muros exteriores de una vivienda en
estudio mostro significativamente un ahorro de energiacutea con respecto al caso
base esto se debe a la colocacioacuten del PCM en la particioacuten interna en los muros
exteriores emplazamiento de la vivienda tipo de encapsulacioacuten y orientacioacuten de
los muros con respecto al sol
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
Sin PCM PCM 22HC Inversion
Mil
es d
e p
eso
sInversion inicial y costos operativos en sistema
climatizacion
Caso 1 Sistema Calefaccion Lentildea Caso 2 Sistemas Bomba de Calor
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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Diego Sarabia Meacutendez
El tipo de encapsulacioacuten de acuerdo al panel constructivo mostro que debe
ser macro encapsulacioacuten con materialidad de aluminio para aumentar la
conductividad teacutermica de los materiales cambio fase que era una de sus
desventajas teacutecnicas
A traveacutes de este anaacutelisis se identificoacute que material de cambio de fase se
debe seleccionar de acuerdo a la aplicacioacuten pasiva en vivienda en estudio
considerando variables de seleccioacuten como cineacuteticas fiacutesicas quiacutemicas teacutermicas
y econoacutemicas
Finalmente se observoacute que es posible maximizar la eficiencia de la
energiacutea en mantener la temperatura constante en los espacios interiores con el
aporte energeacutetico de los sistemas pasivos cuando se usa materiales cambio fase
en los muros exteriores de la vivienda en estudio Ademaacutes el PCM con
temperatura de fusioacuten cercana a la temperatura confort logra un mayor
rendimiento energeacutetico seguacuten su emplazamiento y reduce considerablemente los
costos de operacioacuten de un sistema climatizacioacuten activo aportaacutendole energiacutea
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
70
Diego Sarabia Meacutendez
CONCLUSIONES
El trabajo reciente propone un anaacutelisis de optimizacioacuten del PCM a una
vivienda en estudio como una aplicacioacuten de actualizacioacuten a sistemas pasivos y
se evaluoacute el comportamiento energeacutetico de dos sistemas activos de climatizacioacuten
mediante el uso del software EnergyPlus
En este estudio se describe la seleccioacuten de materiales de cambio fase a
utilizar la encapsulacioacuten adecuada en base a la aplicacioacuten y propiedades de
disentildeo
En el anaacutelisis del comportamiento energeacutetico de la vivienda en estudio se
observoacute que el PCM adecuado seguacuten la temperatura de fusioacuten estaacute en el rango
de 18 a 22 degC cercano a la temperatura de confort teacutermico Para este estudio se
escogioacute el PCM 22HC ya que su comportamiento es ideal para la vivienda en
estudio arrojando un 319 (de 263 kW a un 179 kW) de reduccioacuten de
potencias maacuteximas de disentildeo en climatizacioacuten De acuerdo al PCM escogido se
analizoacute el comportamiento del consumo energeacutetico en dos sistemas de
climatizacioacuten Caso 1 Sistema calefaccioacuten a lentildea mostro una reduccioacuten del
consumo energeacutetico de 341 (de 3694 kWh a un 2434 kWh) Para el segundo
caso se evaluoacute un sistema de bomba de calor multisplit al igual que en el caso
anterior el material optimo corresponde al PCM 22HC se observa una
disminucioacuten de consumo energeacutetico de un 344 (de 688 kWh a un 451 kWh) en
comparacioacuten al caso base lo que implica una notable reduccioacuten de los consumos
energeacuteticos en la estacioacuten friacutea Ademaacutes junto con los valores de consumo
energeacutetico se evaluoacute los costos de operacioacuten anual arrojando una disminucioacuten
promedio de 34 debido al aporte de los PCM
En general estos resultados sostienen firmemente que es posible mejorar
la eficiencia del ahorro energeacutetico cuando los PCM se instala en los muros
exteriores maximizando los ahorros energeacuteticos Por lo tanto para lograr la
optimizacioacuten de la envolvente de la vivienda con aplicacioacuten PCM la temperatura
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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de fusioacuten fue de 22 deg C y el macro encapsulamiento es de material de aluminio
mejorando su transmitancia teacutermica del flujo de calor en los paneles
constructivos dando como resultado una adecuada actualizacioacuten a la aplicacioacuten
y a la instalacioacuten de los PCM a la vivienda en estudio ubicada en Concepcioacuten
Chile
Los costos de implementacioacuten en la tecnologiacutea pasiva como los PCM tiene
un elevado valor debido al costo del transporte (Alemania) se podriacutea justificar
encargando por mayor estos insumos y aplicarlo a un lote de viviendas
Es importante aplicar el PCM optimizado considerando el enfoque y
variables de disentildeo como la condicioacuten climaacutetica temperatura de fusioacuten de PCM
encapsulamiento y irradiacioacuten solar
La implementacioacuten de esta tecnologiacutea demuestra que aporta en la
reduccioacuten de material particulado en zonas criacuteticas en contaminacioacuten y las
emisiones de CO2 aportando al medio ambiente
Se deberaacute tener en cuenta que las curvas de entalpia y temperatura de los
PCM tanto para refrigeracioacuten y calefaccioacuten deben ser lo maacutes cercana posible de
lo contrario se produciriacutea una histeacuteresis o subenfriamiento y afectariacutea
considerablemente el rendimiento del PCM en su aplicacioacuten
Como investigacioacuten adicional queda por explorar la optimizacioacuten de PCM
aplicado a paredes exteriores con persianas de acristalamiento o invernaderos
adosados al poseer mayor captacioacuten de energiacutea solar tendraacute un mayor
almacenamiento energeacutetico y retraso teacutermico en los muros aplicado con PCM y
obtener una segmentacioacuten de los datos climaacuteticos por zonas para investigar el
comportamiento energeacutetico en aplicaciones pasivas
ldquoAnaacutelisis del uso de materiales con cambio de fase en la envolvente
teacutermica de una viviendardquo
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