Investigación sobre la aplicación del almacenamiento de energía térmica mediante materiales de cambio de fase en elementos de construcción termoactivos

Mazo Olarte, Javier
Zalba Nonay, Belén (dir.) ; Marín Herrero, José María (dir.)

Universidad de Zaragoza, 2016
(Ingeniería Mecánica)


Abstract: Esta tesis doctoral aborda el estudio de diferentes aspectos relacionados con el análisis del comportamiento de los elementos de construcción termoactivos con materiales de cambio de fase (en adelante PCM, del inglés Phase Change Material). De una forma general, las aplicaciones en las que se incorporan estas sustancias a los elementos de construcción se pueden clasificar en activas y pasivas. Por una parte, mediante su integración en elementos pasivos del edificio, se persigue el objetivo de mejorar su comportamiento, a través de un incremento sustancial de su inercia térmica, de manera que se logren ciertas reducciones en el consumo energético de calefacción y refrigeración o se mejoren las condiciones de confort. Por otra parte, se consideran aplicaciones activas aquéllas en las que los procesos de almacenamiento y liberación de la energía térmica son controlados -generalmente mediante la circulación de un fluido caloportador- de manera que el elemento con PCM se constituye como un componente para el almacenamiento térmico dentro del sistema de climatización del edificio. De este modo, pueden facilitar la integración de energías renovables o propiciar estrategias de operación más eficientes. Concretamente, la tesis se centra en los sistemas de calefacción y refrigeración por agua integrados en las superficies interiores del edificio (tales como los suelos radiantes). Esta familia de sistemas presenta la ventaja adicional de operar bajo pequeños gradientes de temperatura entre el agua de impulsión y el ambiente interior, lo cual puede mejorar la eficiencia de los equipos térmicos o permitir la integración de fuentes de baja exergía. El trabajo de esta tesis parte de la revisión y análisis de los artículos de investigación y patentes relacionados con las principales actividades involucradas en el desarrollo de estos elementos: estudio de aplicaciones, desarrollo de materiales, determinación de propiedades y simulación de su comportamiento. Por un lado, esta labor ha permitido la formulación de los objetivos de la tesis, atendiendo a los puntos de interés que se han identificado, y, por otro lado, la información recopilada ha sido útil para el planteamiento y pre-diseño del sistema activo con PCM que se analiza en esta tesis. De este modo, se ha propuesto el estudio de un suelo radiante en el que se añade el PCM, impregnado en gránulos de material poroso, al mortero que forma la capa de recrecido sobre los tubos de agua. En un primer bloque, el trabajo se ocupa de la determinación de las propiedades termofísicas del material de construcción con PCM seleccionado para la aplicación activa. Estas propiedades constituyen una información fundamental para las posteriores simulaciones. Se ha propuesto el método T-history para la determinación de la curva entalpía-temperatura de los materiales que se incorporan al mortero de suelo radiante. Además, se ha realizado un estudio teórico que ha permitido la cuantificación y la predicción de las desviaciones que el procedimiento experimental produce cuando se aplica a este tipo de compuestos sólidos. En la determinación de las propiedades se ha prestado especial atención al cálculo del error asociado, ya que es una información complementaria acerca de la calidad de las medidas que debe ser considerada en los siguientes análisis. Asimismo, gracias a la colaboración del Laboratorio del Fuego de la Escuela Politécnica de la Edificación de Barcelona (Universidad Politécnica de Cataluña) se han realizado unos primeros ensayos del comportamiento frente al fuego de los materiales analizados. Éste es un aspecto crítico en la incorporación PCM orgánicos en la construcción que puede condicionar la viabilidad técnica de los sistemas. En el segundo bloque, el trabajo se ha dedicado a la elaboración de herramientas numéricas para la simulación de estos elementos termoactivos dentro del edificio. Durante el periodo de realización de la tesis, la escasez de modelos que, integrados dentro de los programas de simulación energética de edificios habitualmente aceptados, permitieran estos cálculos, motivó la necesidad de desarrollar una herramienta propia. Una parte importante de este esfuerzo se ha invertido en contrastar sus resultados con el objetivo de conferir mayor fiabilidad a los análisis teóricos que se presentan. Con este propósito, se ha adaptado la metodología BESTEST (Judkoff y Neymark, 1995) para la intercomparación del módulo que simula el edificio. Además, las herramientas desarrolladas para la simulación del suelo radiante han sido contrastadas con respecto a un programa que, basando su procedimiento de cálculo en el método de volúmenes finitos, permite el estudio detallado de la transferencia de calor en este sistema. Al mismo tiempo, dentro de este ámbito relacionado con la simulación, se ha establecido el objetivo de contemplar en las simulaciones la incertidumbre asociada a las medidas de las propiedades de los materiales con PCM, que puede ser, por diversos motivos, significativa. En este sentido, se ha propuesto la aplicación de los análisis de sensibilidad y de propagación de errores basados en los métodos Montecarlo, cuyo uso, que está más extendido dentro del ámbito de la simulación energética de edificios, no es tan frecuente en el estudio de sistemas con PCM. Además, a partir de los resultados acerca de la sensibilidad de los errores en los resultados numéricos, se ha elaborado un procedimiento sencillo para el análisis crítico de la adecuación de la exactitud de cada medida para su utilización, como dato de entrada, en la simulación de una aplicación concreta. Finalmente, se ha realizado un estudio numérico, utilizando las herramientas de simulación desarrolladas, sobre el comportamiento del elemento activo con PCM propuesto se instala en un cubículo experimental. Este trabajo ha comprendido el estudio de las características del funcionamiento del sistema, así como el análisis de la influencia de los principales parámetros que intervienen en su diseño. Los resultados se han utilizado para el dimensionamiento de una instalación experimental para el ensayo de estos componentes activos. El estudio teórico ha mostrado cómo el sistema con PCM es capaz de almacenar y liberar, a lo largo del ciclo diario de funcionamiento, más del doble de energía térmica que un sistema análogo convencional. En la aplicación concreta analizada, en la que se trata de desplazar a las horas valle de la demanda eléctrica el consumo en calefacción de una bomba de calor, esta mejora en la capacidad de almacenamiento térmico se traduce en ahorros de hasta el 15% en el coste de dicho consumo. Por otro lado, el estudio identifica el desarrollo e implementación de algoritmos más avanzados de control como una de las líneas que puede contribuir de manera significativa a la mejora de la operación de estos sistemas.

Pal. clave: física de la transmisión del calor ; termodinámica ; cambio de fase ; técnicas de medidas térmicas

Knowledge area: Ingeniería de la construcción

Department: Ingeniería Mecánica

Nota: Presentado: 01 02 2016
Nota: Tesis-Univ. Zaragoza, Ingeniería Mecánica, 2016

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 Record created 2016-04-01, last modified 2019-02-19


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