Implementacion de los PCM en las nuevas construcciones de la ciudad de tunja debido a las bajas y altas temperaturas

IMPLEMENTACION DE LOS PCM EN LAS NUEVAS CONSTRUCCIONES DE LA CIUDAD DE TUNJA DEBIDO A LAS BAJAS Y ALTAS TEMPERATURAS

JUAN CAMILO SIERRA GONZALEZ

UNIVERSIDAD SANTO TOMAS SECCIONAL TUNJA

FACULTAD DE INGENIERIA CIVIL

TUNJA

2019

IMPLEMENTACION DE LOS PCM EN LAS NUEVAS CONSTRUCCIONES DE LA CIUDAD DE TUNJA DEBIDO A LAS BAJAS Y ALTAS TEMPERATURAS

JUAN CAMILO SIERRA GONZALEZ

Trabajo entregado como avance de proyecto propuesto en la materia de Seminario de grado II

Ing. Rocío Riveros Sánchez. Ingeniera Química

UNIVERSIDAD SANTO TOMAS SECCIONAL TUNJA

FACULTAD DE INGENIERIA CIVIL

TUNJA

2019

TABLA DE CONTENIDO

RESUMEN        4

INTRODUCCION        5

MARCO TEORICO        7

METODOLOGIA        22

1.        Tipo de investigación        22

2.        Variables        22

3.        Muestreo        22

4.        Instrumentos de recolección de datos.        22

RESULTADOS        24

ANALISIS DE RESULTADOS        27

CONCLUSIONES        28

BIBLIOGRAFIA        29

RESUMEN

En el siguiente documento, podemos ver una de las nuevas técnicas experimentales que se están llevando a cabo en los últimos tiempos y es el uso de los pcm o materiales de cambio de fase, conocidos por almacenar energía térmica y luego liberarla, para este caso vamos a ver un proyecto que se quiere desarrollar en la ciudad de Tunja, Boyacá, e implementarlo en nuevas construcciones, para controlar el cambio climático que se ha visto en los últimos tiempos, la variación entre frio y calor es evidente en esta ciudad, y por esto se quieren implementar este tipo de materiales en las mezclas de concreto, para la construcción de nuevas viviendas en la ciudad.

Esta técnica aun es experimental, pues no hay un patente que compruebe la efectividad de estos materiales en las construcciones de la ciudad de Tunja, por eso se espera de este proyecto resultados que permitan comprobar la efectividad de la implementación de nuevos materiales.

INTRODUCCION

El consumo de energía para el confort térmico en los edificios ha crecido mucho en pocos años debido a la creciente demanda de los usuarios de condiciones de confort y la penetración en el mercado asociada de más sistemas de refrigeración. Este aumento del consumo de energía y el aumento del precio del combustible y las emisiones de CO 2 están promoviendo una nueva política de edificios más sostenibles.

Los materiales de cambio de fase (PCM) se han estudiado para el almacenamiento térmico en edificios desde antes de 1980 [1], [2], [3], [4], [5]. Esos sistemas proporcionan una mayor inercia térmica al edificio que, combinada con el aislamiento térmico, puede reducir el consumo de energía del edificio al absorber las ganancias de calor y reducir el flujo de calor. Durante el día, el PCM puede absorber parte del calor a través del proceso de fusión, y durante la noche el calor se libera por la solidificación del PCM, lo que resulta en un flujo de calor más bajo desde el exterior hacia el interior.

En el primer paso, se llevaron a cabo el desarrollo y las pruebas de prototipos de tableros PCM y sistemas de hormigón PCM para mejorar la capacidad de almacenamiento de energía térmica (TES) de paneles de yeso estándar y bloques de hormigón, con especial interés en el cambio de carga máxima y la utilización de energía solar. Varios investigadores han investigado métodos para impregnar paneles de yeso, hormigón y otros materiales arquitectónicos con materiales de cambio de fase [6], [14]. Se describen diferentes tipos de PCM y sus características. Las técnicas de fabricación, el rendimiento térmico y las aplicaciones de paneles de yeso y bloques de hormigón que han sido impregnados con materiales de cambio de fase, así como de hormigón con PCM micro encapsulado, se han presentado y discutido anteriormente [7], [8], [9], [10], [11], [12].

Todos esos sistemas utilizaron PCM micro encapsulada, presentando algunos problemas importantes que redujeron las posibilidades de llegar a un estado comercial. Tales problemas son el alto costo de inversión y la degradación de las propiedades mecánicas del material. En este trabajo se considera el uso de PCM macro encapsulado, reduciendo el costo de inversión y superando los problemas mecánicos. El uso de PCM macro encapsulado evita el costo excesivo del proceso de micro encapsulación y no presenta ningún problema mecánico ya que el material no está integrado en el material de construcción. El sistema de encapsulación es resistente por sí mismo y no reduce la resistencia de la pared.

Aunque se han realizado muchas investigaciones para estudiar la incorporación de PCM en varios materiales de construcción, casi no se ha trabajado en soluciones constructivas de ladrillo, ampliamente utilizadas en los países mediterráneos. Alawadhi [13] estudió numéricamente la introducción de PCM en ladrillos, obteniendo buenos resultados y una reducción teórica del flujo de calor que ingresa al espacio interior en verano. Sin embargo, el modelo utilizado no fue validado. Hasta la fecha no se ha realizado ningún trabajo experimental y no hay datos reales disponibles para este tipo de solución constructiva. Por lo tanto, este estudio puede proporcionar datos muy útiles para demostrar el concepto y contribuir a la integración de PCM en la construcción típica del Mediterráneo.

En este trabajo, los PCM macro encapsulados se probaron con soluciones constructivas típicas del Mediterráneo. Se construyó una nueva configuración experimental que consta de varios cubículos (utilizando ladrillo convencional y ladrillo alveolar). El PCM macro encapsulado se agrega en un ladrillo convencional y en un cubículo de ladrillo alveolar (paneles CSM, que contienen RT-27 y SP-25 A8, respectivamente) y se estudia el comportamiento térmico de los cubículos.

Además, todos los trabajos anteriores encontrados en la literatura fueron teóricos o no midieron los ahorros reales de energía logrados por el PCM. Solo se analizó el perfil de temperatura, presentando estimaciones de los ahorros de energía basados ​​en la diferencia de temperatura lograda por el PCM. Sin embargo, estas estimaciones no consideraron el cronograma dinámico y la operación del edificio y su sistema de HVAC. En este trabajo se da un paso más y se instala una bomba de calor en los cubículos para medir el consumo real de energía. Estos resultados proporcionarán datos reales para el ahorro de energía y para determinar la reducción de las emisiones de CO 2 teniendo en cuenta la dinámica del edificio.

A. CASTELL, I. MARTORELL, M. MEDRANO, G. PÉREZ, L.F. CABEZA, “Experimental study of using PCM in brick constructive solutions for passive cooling” {En linea}. {diciembre 1 de 2019}. Disponible en: https://www-sciencedirect-com.crai-ustadigital.usantotomas.edu.co/science/article/pii/S0378778809002710

MARCO TEORICO

Los materiales con cambio de fase (Phase Change Material-PCM) son materiales con un alto calor latente que, a la temperatura de cambio de fase (sólido ↔ líquido), son capaces de almacenar o liberar grandes cantidades de energía (hasta 100 veces más que si emplea el calor sensible). El interés de este tipo de materiales radica en que, durante el cambio de fase, la temperatura se mantiene constante mientras que el material va absorbiendo o liberando energía. La temperatura de cambio de fase es característica de cada PCM. Se trata de materiales inteligentes (smart materials) y pasivos, los cuales actúan de manera reversible en base a la condición térmica del entorno. En general son materiales de bajo coste.

Las ventajas principales que ofrece el almacenaje de calor mediante calor latente frente al que emplea el calor sensible son:

• La densidad de almacenaje de calor es muy superior. Por ejemplo el agua líquida, su calor específico es 4,19 kJ/kg°C y el calor latente de fusión sólido-líquido (hielo) es 334,24 kJ/kg. Por consiguiente la densidad de calor almacenado por calor latente a 0 °C es equivalente al calor que almacena el agua al pasar de 0 a 80 °C por calor sensible.
• El calor liberado/almacenado se realizará a temperatura constante.

Aplicaciones

Las principales aplicaciones que tienen estos materiales vienen definidas por:

• Su alta capacidad de almacenaje de energía en forma de calor. Almacenar calor en un momento determinado para disponerlo más tarde. Esto permite obtener una gestión térmica más eficiente. Por ejemplo en un sistema colector solar, durante el día se almacenaría el exceso de calor y se dispondría por la noche y justo al día siguiente cuando no hay radiación solar.
• Sus prestaciones como termorregulador para reducir las oscilaciones térmicas de un espacio, en torno a la temperatura de cambio de fase del PCM. Con esto se consigue reducir la dependencia con los sistemas de climatización convencionales y por tanto un ahorro energético. Por ejemplo en viviendas para reducir las oscilaciones de temperatura en torno a la temperatura confort (22 °C).

A continuación se enumeran algunas aplicaciones específicas donde han sido utilizados los PCM:

• Almacenaje térmico de energía solar.
• Almacenaje pasivo en edificios, para obtener temperaturas de confort constantes.
• Para enfriamiento (banco de hielo).
• Obtención de agua caliente sanitaria (ACS).
• Mantenimiento de temperaturas constantes en habitaciones con ordenadores y dispositivos eléctricos.
• Protección térmica de alimentos durante el transporte.
• Protección térmica de productos agrícolas (vino, leche, verduras, etc).
• Protección térmica de dispositivos electrónicos, evitando sobrecalentamientos.
• Reducción de fatiga térmica en dispositivos.
• Aplicaciones médicas: protección térmica para el transporte de sangre, mantenimiento de la temperatura de la mesa de operaciones, terapias de frío-calor.
• Refrigerante de máquinas.
• Obtención de confort térmico en vehículos.
• Amortiguación de los picos de temperaturas exotérmicos en reacciones químicas.
• Plantas de energía solar.
• Sistemas aeroespaciales.

Tipología de PCM: ventajas y desventajas

Los PCM se pueden agrupar principalmente en dos grandes familias: materiales orgánicos e inorgánicos. Ambos casos presentan ventajas y desventajas en relación a las características que debe tener un PCM (tabla 1).

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