Rehabilitación energética mediante PCM

Re ha bi l i t a c i ón e ne r gé t i c ame di a nt e f a c ha da sv e nt i l a da sc on ma t e r i a l e sdec a mbi o def a s e( PCM) Gr adoenAr qui t ect ur a

Tr abaj oFi ndeGr ado Aut or : Ai t orGui j ar r oBel da Tut or / es : Ví c t orEc har r i I r i bar r en J ul i o2016

RehabilitaciĂłn energĂŠtica mediante fachadas ventiladas con materiales de cambio de fase (PCM) | Aitor Guijarro Belda | Julio 2016

Rehabilitación energética mediante fachadas ventiladas con materiales de cambio de fase (PCM) | Aitor Guijarro Belda | Julio 2016

AGRADECIMIENTOS A todos los profesores que me han acompañado en la culminación de este sueño desde la primaria.

A mis antiguos compañeros que llegaron a tener más fe en mi que yo mismo.

A mis nuevos compañeros que han compartido mis mismas pasiones.

A mi familia que me ha sufrido y apoyado en mis peores momentos.

RehabilitaciĂłn energĂŠtica mediante fachadas ventiladas con materiales de cambio de fase (PCM) | Aitor Guijarro Belda | Julio 2016

DEDICATORIA

A la arquitectura.

RehabilitaciĂłn energĂŠtica mediante fachadas ventiladas con materiales de cambio de fase (PCM) | Aitor Guijarro Belda | Julio 2016

Rehabilitación energética mediante fachadas ventiladas con materiales de cambio de fase (PCM) | Aitor Guijarro Belda | Julio 2016

ÍNDICE 1. ABSTRACT ................................................................................................................................... 1 PARTE 1: Estudios previos 2. INTRODUCCIÓN ......................................................................................................................... 2 2.1. Objeto y alcance ...................................................................................................................... 2 2.2. Temas planteados .................................................................................................................... 3 2.3. Interés del tema planteado ....................................................................................................... 4 2.4. Marco de estudio: introducción histórica ................................................................................ 4 2.5. Aplicación del CTE ................................................................................................................. 7 2.6. Metodología .......................................................................................................................... 12 3. MARCO TEÓRICO ..................................................................................................................... 13 3.1 Calor y energía ....................................................................................................................... 13 3.2. Transmisión de calor ............................................................................................................. 14 3.3. Almacenamiento de energía .................................................................................................. 16 3.4. Inercia térmica ....................................................................................................................... 18 3.5. Cambios de estado................................................................................................................. 20 4. FUNDAMENTOS DE LOS PCM ............................................................................................... 22 4.1. ¿Qué son? .............................................................................................................................. 22 4.2. Requisitos para ser PCM ....................................................................................................... 25 4.3. Propiedades ........................................................................................................................... 25 4.4. Problemas de los PCM .......................................................................................................... 27 4.5. Fabricantes y productos ......................................................................................................... 28 4.6. Listado de obras de referencia ............................................................................................... 30 4.7. Datos empíricos ..................................................................................................................... 31 PARTE 2: Toma de datos 5. CONTEXTO CLIMÁTICO Y CONSTRUCTIVO EN LA VIVIENDA DE LEVANTE ........... 41 5.1. Condiciones de confort.......................................................................................................... 41 5.2. Características de la zona de estudio ..................................................................................... 42 5.3. Caso de estudio ..................................................................................................................... 45

Rehabilitación energética mediante fachadas ventiladas con materiales de cambio de fase (PCM) | Aitor Guijarro Belda | Julio 2016

5.4. Simulaciones estado actual.................................................................................................... 46 5.5. Estudio termográfico ............................................................................................................. 58 5.6. Confort térmico interior ........................................................................................................ 61 5.7. Conclusiones ......................................................................................................................... 63 PARTE 3: Diseño 6. DISEÑO DEL CERRAMIENTO................................................................................................. 65 6.1. Propuesta de diseño ............................................................................................................... 65 6.2. Funcionamiento teórico ......................................................................................................... 66 6.3. Caso de aplicación................................................................................................................. 69 6.4. Simulaciones de diseño ......................................................................................................... 78 7. CONCLUSIONES ....................................................................................................................... 89 GLOSARIO...................................................................................................................................... 92 BIBLIOGRAFÍA.............................................................................................................................. 93

Rehabilitación energética mediante fachadas ventiladas con materiales de cambio de fase (PCM) | Aitor Guijarro Belda | Julio 2016

1. ABSTRACT Arquitectura y clima es un clásico de absoluta actualidad. La relación entre edificio y medio natural, clima y ser humano y la interpretación de sus acciones en clave arquitectónica y su aplicación, es nuevamente tema central del debate arquitectónico. Es por eso que tenemos una actitud más responsable en la selección de materiales y técnicas constructivas en favor, no solo de los usuarios o el progreso mismo, sino con el entorno que nos rodea.

Para proyectar de una manera ecológicamente comprometida y sensiblemente honesta debemos entender y seleccionar aquellos aspectos del medio que pueden opinar de las propias decisiones del proyectista; éstos pueden incluir la estructura, como mímesis de una tela de araña, o las instalaciones como imitación de una caña de bambú, pero el interés que se nos despierta refiere de las envolventes y su comportamiento. Como una cueva generó los primeros espacios de confort en la prehistoria, y como el nomadismo participó de la invención de los siguientes cerramientos, esta vez sí, construidas por humanos.

Es en este punto donde nos damos cuenta de la relación del ser humano y su entorno para lograr ese confort dentro del espacio habitado, y como las envolventes son punto esencial de ella. Hemos visto sus inicios como una necesidad, y como otra ha hecho evolucionar los cerramientos hasta el momento actual, pero siempre tratando de aislar ambos ambientes.

Esta separación entre los entornos puede asemejarse a cualquier confrontación física, pero ''el arte de la paz es controlar la agresión''1. Así podríamos entender la vertiente actual de los materiales de cambio de fase, como la filosofía del Aikido, que trata de vencer al enemigo utilizando su propia fuerza de ataque. De esta forma pasaríamos de la separación de dos energías térmicas diferentes a usar el clima exterior en favor del entorno interior y es que, como veremos en capítulos posteriores, los materiales de cambio de fase almacenan la energía exterior para beneficiarse de ella posteriormente.

En este escrito abordaremos el confort térmico, la eficiencia energética y como los materiales de cambio de fase pueden trabajar para ellos. Los estudiaremos favoreciéndonos del trato que tienen con el clima, de forma que podamos emplear la energía del mismo de un modo más eficiente y diseñando un cerramiento más pertinente a los tiempos que corren.

1

Morihei Ueshiba (1883-1969), fundador del arte marcial Aikido.

1

Rehabilitación energética mediante fachadas ventiladas con materiales de cambio de fase (PCM) | Aitor Guijarro Belda | Julio 2016

PARTE 1: Estudios previos

2. INTRODUCCIÓN En los capítulos posteriores abordaremos, como ya hemos mencionado, el estudio de los materiales de cambio de fase, PCM en adelante por sus siglas en ingles (Phase Change Materials). Por tanto, afrontaremos el trabajo desde una aproximación previa a la pertinencia del tema propuesto hasta el diseño de un cerramiento como aplicación práctica, pasando por los fundamentos de los PCM y el contexto climático. Concretando en mayor medida el trabajo dispondrá de tres partes: - La primera tratará los aspectos teóricos que atañen al propio tema planteado, así como los correspondientes a los PCM y sus propiedades referidas a la termodinámica.

- La segunda se centrará en un análisis y toma de datos del entorno escogido, así como de los edificios a estudio.

- Y por último, realizaremos una propuesta de diseño para la obra escogida mediante la rehabilitación con PCM de la fachada.

Podemos intuir que la construcción tradicional española con sus numerosos puentes térmicos dará lugar a ese diseño mediante PCM que predecimos de antemano.

2.1. Objeto y alcance El objeto de este trabajo será el de estudiar superficialmente diversas posibilidades con los que poder realizar una mejora energética en las viviendas de levante y, tras elegir el más adecuado, favorable e interesante, concretarlo más profundamente. Con esto y estudiando las viviendas de la localización mencionada, tratar de elaborar un diseño flexible y eficaz que se adapte tanto al edificio como a la normativa actual española, de forma que se realice ese ansiado ahorro energético y, por ende, trabajemos en contra del cambio climático.

Hablaremos pues, de aprovechar al máximo las posibilidades de los PCM para lograr ese confort térmico deseado.

2

Rehabilitación energética mediante fachadas ventiladas con materiales de cambio de fase (PCM) | Aitor Guijarro Belda | Julio 2016

A pesar de tratar de profundizar lo máximo posible, el alcance total del trabajo será enunciativo y correspondería ser estudiado con mayor detenimiento si se quisiera realizar una mayor intervención en este ámbito de trabajo. Si bien, las conclusiones finales podrían servir de pautas para el camino a seguir y anhelando que los siguientes párrafos sirvan de inspiración.

2.2. Temas planteados Para poder llegar a cumplir nuestros intereses energéticos existen numerosas opciones y soluciones actualmente, pero el ámbito de aplicación que trataremos abarca tres fenómenos más o menos novedosos y más eficientes.

El primero de ellos serían los paneles fotovoltaicos cerámicos los cuales solo en su fabricación se ahorra energía y por tanto se reduce la contaminación. El sistema en sí recuerda a una placa solar salvo que mejora mucho en su factor estético, por lo que son idóneos no solo en cubierta sino en fachadas y pavimentos. Por supuesto, funcionan aprovechando el calor y la luz del sol para producir energía renovable, amén de una de las características principales de la cerámica, su aislamiento acústico2.

Imagen1: Diferencia entre suelo cualquiera (izq) y panel fotovoltaico cerámico (dch)3

En segundo lugar estaría el efecto botijo, y a pesar de ser un fenómeno resabido, aparece ahora en edificación como un método revolucionario. Con independencia de su simpleza, es muy efectivo y consiste en el principio fundamental de esta arcaica botella de agua; cuando el agua evapora necesita energía para que se produzca el cambio de estado líquido a gaseoso. Esa energía puede tomarla del ambiente, pero también del propio sistema. Así cuando se evapora una parte de agua extrae energía del sistema y el agua remanente, por tanto, disminuye en su temperatura. En la vivienda se plantea un recubrimiento de la pared exterior con una cámara cerámica que en su interior incorpora unos canales que conducen 2

Fuente: Porcelanosa (http://www.construnario.com/notiweb/25680/porcelanosa-desarrolla-el-primer-suelo-ceramicofotovoltaico#) 3 Fuente: pisos.com

3

Rehabilitación energética mediante fachadas ventiladas con materiales de cambio de fase (PCM) | Aitor Guijarro Belda | Julio 2016

un riego por goteo. Agua y cerámica enfrían la casa en verano y, sin agua, en invierno la cerámica conserva el calor junto con la cámara4.

Por último, tendríamos los materiales de cambio de fase (PCM), los cuales son ámbito de estudio de este texto, por lo que simplemente mencionaremos su capacidad de variar su estado de líquido a gas (normalmente). De esta forma almacenan y expulsan energía en un desfase temporal.

2.3. Interés del tema planteado El cambio climático es un hecho, y no lo es desde hace poco; lo que sí es ciertamente reciente es la conciencia despertada al respecto, y más concretamente en el ámbito que nos atañe. Un ejemplo podría ser el CTE, que no solo trata de aunar los criterios de diseño y seguridad en el terreno de la construcción, sino que plantea un tomo explícitamente a ello, el DB-HE. La exigencia de acercar el confort y la salubridad en plena burbuja inmobiliaria hizo que los diseños en torno a este aspecto avanzasen a un ritmo vertiginoso, a expensas, claro está, de edificios ''en serie'' de baratillo. Pero todo esto es pasado, y la obra nueva es escasa; nuestros esfuerzos ahora se centran en el patrimonio y la rehabilitación con un horizonte hacia la sostenibilidad y la propia autoconcienciación; es, por eso, que el tema de este trabajo es tan pertinente y de tanta actualidad.

Otro punto al que sumar lo anterior sería el diseño del acondicionamiento pasivo que engloba más que los PCM y nos permite entenderlo como un conjunto. Si bien sabemos, existen multitud de formas para alcanzar el confort que el usuario espera, pero con un acondicionamiento activo sería suficiente para él; de esta forma no solo generaríamos un antagonista de los buenos actos implícitos en la sostenibilidad, sino que, a expensas de parecer pretenciosos, perderíamos credibilidad como profesionales. Que algo funcione y además pase desapercibido sería el logro idóneo, y si conjuntamente podemos integrarlo en la vivienda de levante beneficiándonos de su clima, obtendríamos nuestro objetivo de la manera más satisfactoria5.

2.4. Marco de estudio: introducción histórica Para controlar el confort térmico, acústico y lumínico del interior de un edificio, los cerramientos deben satisfacer las necesidades de confort de los usuarios. Es en este punto donde la diferenciación entre ellos en opacos y semitransparente y los puentes térmicos ha generado las mayores disputas para lograr ese objetivo.

4

Fuente: Centro de Resilencia de Aranjuez (https://csaranjuez.wordpress.com/2012/09/20/el-efecto-botijo-larefrigeracion-por-evaporacion/) 5 Nótese en la radicalidad de la afirmación que entendemos el favorable funcionamiento de los sistemas activos muy necesarios y a veces indispensables.

4

Rehabilitación energética mediante fachadas ventiladas con materiales de cambio de fase (PCM) | Aitor Guijarro Belda | Julio 2016

A partir del siglo XIV es cuando empieza a emplearse el vidrio, iniciando la preocupación para con los encuentros que hasta nuestras fechas ha llegado. Éstos eran solventados con telas o papeles que, obviamente, no daban ningún tipo de comodidad térmica. Además, era un material caro que hasta el siglo XX no empezó a difundirse ni a estudiarse su transmitancia.

Imagen 26: Vivienda de Steve Baer en Corrales; vista de la fachada sur con el entramado de bidones.

Este centrado y racional pensamiento hizo que esas cualidades térmicas perdidas en el hueco de un cerramiento pasaran algo desapercibidas en el propio cerramiento; situación nada criticable ya que era la prioridad lógica y las perdidas térmicas en el muro eran menores. Podríamos mencionar que un estudioso en el tema del control térmico y el acondicionamiento pasivo fue el que dio el paso, pero la realidad es que fue la crisis del petróleo de los años 70 el mayor precursor de estos sistemas. Esto dio como resultado un pionero (esta vez sí) en la construcción de una vivienda con estos principios pasivos, la propia vivienda de Steve Baer en Corrales, Nuevo México (1971).

Este edificio funciona mediante unos bidones de metal pintados de negro y rellenos de agua colocados en un entramado metálico perpendicular a la fachada vidriada orientada al sur. Externamente tiene un papel giratorio que hace las veces de aislamiento según la época del año7.

Imagen 38: Graficas sobre el flujo de contaminación 6

Fuente: salon.com BAER, Steve. More sun spots: A collection of thoughts about solar energy. Baer Trial and Error, 2012.

8 Fuente: wikipedia.org 7

5

Rehabilitación energética mediante fachadas ventiladas con materiales de cambio de fase (PCM) | Aitor Guijarro Belda | Julio 2016

Esta crisis inició el camino hacia este conocimiento que ya apuntaba maneras desde la revolución industrial y el comienzo de las emisiones de CO2. Actualmente, éstos se han agravado hasta ser un tema de numerosas investigaciones y artículos. Es así como el ser humano comienza a tomar conciencia del cambio climático, concretándolo en el protocolo de Kyoto creado con la intención de reducir las emisiones de CO2 a la capa de ozono entre el 2008 y 2012. A pesar de que no se cumpliera, favoreció la creación de una actitud colectiva sobre el tema, culminando en términos como bioclimático, ecológico, sostenibilidad...

En este punto es donde aparece el interés del concepto de sostenibilidad y cómo afrontarlo desde dos apartados distintos: uno técnico y otro ecológico.

Apartado técnico Este sería el punto de vista más común y normalizado, aquel que todos podemos llegar a conocer fuera del campo de la construcción; todos hemos oído nombrar las energías renovables y como van ganando terreno a los combustibles fósiles. Dentro de nuestro campo también oímos hablar de estas energías, concretamente en las placas solares (que no las placas fotovoltaicas cerámicas), y es que el propio código técnico apuesta por este tipo de energías en obra nueva siendo las placas solares las más comunes. Otro aspecto que también podemos enmarcar dentro del capítulo técnico son las soluciones constructivas y, como ya hemos nombrado, el DB-HE aboga por un incremento de la inercia térmica a través del espesor y tipo de aislante térmico que genere la envolvente térmica del edificio.

Estas soluciones son bastante eficientes en comparación a la tradición constructiva, pero popularmente más artificiales (integrar de forma armoniosa la cantidad suficiente de placas solares es tarea ardua) y contraproducentes con el siguiente apartado.

Apartado bioclimático En contraposición al anterior, este apartado aborda diversas complejidades. Debe tratar de fijarse en la naturaleza y en su génesis, en los factores climáticos y en los urbanos. La obra debe quedar armonizada con su entorno y favorecer la retroalimentación de forma que se generen la menor cantidad de desperdicios.

Históricamente se ha abogado por este apartado de una forma más o menos inconsciente y precaria, y podemos entenderlo recordando como el soleamiento y los recursos cercanos a la obra han sido leitmotiv reiterativo en la mayoría de construcciones. Más tarde se incorporan a este pensamiento las estaciones del año y el mantenimiento de los materiales empleados.

6

Rehabilitación energética mediante fachadas ventiladas con materiales de cambio de fase (PCM) | Aitor Guijarro Belda | Julio 2016

En este punto, la importancia de plantear lo anterior y estudiar la vivienda de levante favorecerá la forma más adecuada de integrar los PCM dentro del propio ecosistema del edificio y su entorno.

2.5. Aplicación del CTE Desde la aprobación de los documentos del código técnico en 2006 es de obligado cumplimiento su contenido, teniendo especial importancia tres de sus seis tomos para el favorable diseño y utilización de los PCM. No realizaremos un desglose exhaustivo de estos tomos, pues están a disposición de cualquiera y se puede profundizar en ellos sin mayor dificultad; lo que se pretende es resumir aquellos puntos o apartados de especial relevancia que atañen de forma específica al tema tratado. Tomaremos cuenta de la información del DB-HE con especial atención, y del DB-HR y DB-HS como documentos complementarios.

DB-HE Ahorro de energía9 Analizando este tomo del CTE, podemos observar que contiene 5 capítulos, de los cuales, solo uno, sería pertinente para el tema planteado en este documento; hablamos del capítulo 1 ''limitación de la demanda energética''. Resumiremos en cierta medida los conceptos teóricos que deberíamos emplear para que el diseño posterior con PCM cumpla con la normativa actual; utilizaremos herramientas informáticas como LIDER y CALENER que ayudan a realizar este procedimiento y comprobar su cumplimiento o no de forma más sencilla.

El HE exige el cumplimiento de este apartado a edificios de nueva construcción y a edificios existentes bajo ciertas condiciones. Con afán de no sufrir mucha demora aclararemos que, el ámbito de diseño planteado concreta en el obligado cumplimiento de esta norma10. Siguiendo el pequeño índice11 de justificación de la norma los resultados serian los siguientes: La definición de la zona climática de la localidad cuyo resultado sería B412, menos de 250m de altura para la ciudad de Alicante. Con esto y siguiendo el apéndice D del propio capítulo de este tomo obtenemos:

9

Fuente: CTE DB-HE Fuente: Punto 2.2.2.1 CTE DB-HE 11 Fuente: Punto 3.2 CTE DB-HE 12 Fuente: Tabla B.1 del apéndice B del CTE DB-HE 10

7

Rehabilitación energética mediante fachadas ventiladas con materiales de cambio de fase (PCM) | Aitor Guijarro Belda | Julio 2016

Tabla 113: Zona climática B4

Mientras que el punto 2 establece unos valores más generales.

Tabla 214: Transmitancias térmicas y permeabilidad al aire

Tras escoger siempre el valor más desfavorable, se debería realizar la descripción geométrica y el perfil de uso. Aunque este último no es necesario para el tipo de rehabilitación que planteamos, seguiría de la siguiente forma:

Tabla 315 13

Fuente: CTE DB-HE Fuente: CTE DB-HE 15 Fuente: Apéndice C CTE DB-HE 14

8

Rehabilitación energética mediante fachadas ventiladas con materiales de cambio de fase (PCM) | Aitor Guijarro Belda | Julio 2016

Como hemos visto, también se le otorga importancia al hueco en el cerramiento, por lo que su cálculo también es pertinente.

El siguiente paso tras obtener los datos teóricos del lugar de origen del edificio sería el tratamiento de la envolvente con respecto a ellos. En este punto podemos apoyarnos en el documento DA-DB-HE 1 para seguir con este avance teórico, aunque, por suerte, el software informático nos facilita el cálculo necesario de la envolvente. El procedimiento según este documento se basaría en realizar la suma de las resistencias de los materiales que componen el cerramiento. Tras esto, relacionar los componentes con el entorno para comprobar si la envolvente cumple las condiciones básicas de confort térmico.

Tabla 416 16

Fuente: CTE DA-DB-HE 1

9

Rehabilitación energética mediante fachadas ventiladas con materiales de cambio de fase (PCM) | Aitor Guijarro Belda | Julio 2016

DB-HR Protección frente al ruido17 Al igual que el apartado anterior resumiremos los siguientes aspectos teóricos, también recogidos en una aplicación informática como es el software del HR del ministerio.

Tratándose el tema de estudio en fachadas, el control del sonido también es un factor importante a pesar de centrar el trabajo en la rehabilitación energética.

Este tomo trata el sonido en todas las vertientes del edificio pero, como es obvio, centraremos el análisis en las fachadas; para ello seguiremos la norma y comenzaremos estudiando el ruido aéreo del entorno para certificar el tipo de aislamiento acústico necesario.

Tabla 518: Valores del aislamiento acústico a ruido aéreo en función del ruido día

Imagen 4: Mapa acústico de la ciudad de Alicante19

En caso de desconocer el valor acústico real la norma permite escoger un L d de 60 dBA como parámetro de origen.

Los siguientes aspectos nombrados en la norma son de poca relevancia ya que la reverberación y el impacto son de escasa importancia.

17

Fuente: CTE DB-HR Fuente: CTE DB-HR 19 Fuente: Plan acústico municipal de Alicante 18

10

Rehabilitación energética mediante fachadas ventiladas con materiales de cambio de fase (PCM) | Aitor Guijarro Belda | Julio 2016

DB-HS Salubridad20 El ámbito de este tomo es bastante holgado, tratando temas dispares pero teniendo en sus capítulos 1 ''Protección frente a humedad'' y 3 ''Calidad del aire interior'' información de interés para nuestro trabajo.

El HS 1 trata la humedad desde los muros en contacto con el terreno hasta la cubierta, pasando, obviamente, por las fachadas y todas las particiones interiores e instalaciones.

Centrándonos en las fachadas como único punto de acción para nosotros, este capítulo ofrece ayuda para con el diseño de las mismas, de forma que se satisfaga la estanqueidad frente a la humedad. Presenta, además, unas disposiciones teóricas previas que marcarán el diseño.

Tabla 621: Grado de impermeabilidad mínimo en fachada

20 21

Fuente: CTE DB-HS Fuente: CTE DB-HS

11

Rehabilitación energética mediante fachadas ventiladas con materiales de cambio de fase (PCM) | Aitor Guijarro Belda | Julio 2016

Tabla 6: Grado de impermeabilidad mínimo en fachada

Por otro lado el HS 3 habla de las renovaciones de aire de cada estancia siendo, por tanto, necesario para el diseño de los huecos.

Tabla 722: caudales de ventilación mínimos exigidos

2.6. Metodología Analizaremos teóricamente las propiedades de los PCM y su comportamiento, y con las conclusiones obtenidas de su estudio, trataremos de concretar un diseño óptimo y adecuado a las viviendas de levante; para ello también vamos a desgranar edificios que utilicen PCM para mejorar su comportamiento térmico. Tras esto, elegiremos un edificio correspondiente 22

Fuente: CTE DB-HS

12

Rehabilitación energética mediante fachadas ventiladas con materiales de cambio de fase (PCM) | Aitor Guijarro Belda | Julio 2016

al inicio del CTE, obteniendo mediante cámara termográfica los puntos críticos (o no), donde es indispensable la rehabilitación energética mediante las fachadas de PCM. El análisis se fundamentará en el cálculo de las leyes físicas de la termodinámica, que ayudaran a predecir el comportamiento del calor apoyado por los datos obtenidos de las herramientas de simulación complementadas con la toma de datos in situ. Esto favorecerá la comparación entre el estado actual de los edificios y su posible rehabilitación.

- Marco teórico - Toma de datos - Simulación - Diseño

3. MARCO TEÓRICO Previo al entendimiento de los PCM y sus características deberíamos entender los fundamentos teóricos en los que se basan. Como podemos intuir, éstos se fundamentan en el comportamiento de la energía y el calor, como se almacenan y trasmiten generando su posible cambio de fase; estaríamos hablando del estudio termodinámico y su marco constituyente.

3.1 Calor y energía El calor se define en termodinámica como la transferencia de energía térmica entre dos sistemas termodinámicos debido a una diferencia de temperatura. Este fenómeno ocurre en el sentido de mayor a menor temperatura. De ellos se deduce que no hay transferencia entre dos sistemas que se encuentran a la misma temperatura.

Este intercambio de temperatura lleva consigo variaciones en las características del material, como son las magnitudes de masa, densidad, volumen, presión, campo eléctrico, tensión, polarización... En intercambios altos de temperatura las magnitudes anteriores pueden llegar a concretarse en cambios de estado, siendo el cambio a estado gaseoso el más complejo: puede intercambiar calor con otros sistemas sin transferencia de calor, a temperatura constante, a volumen constante o a presión constante. Es por ello que nuestro trabajo centrará los PCM en cambios de estado sólido-líquido.

Para entender mejor lo anterior deberíamos recordar los principios fundamentales de la termodinámica:

13

Rehabilitación energética mediante fachadas ventiladas con materiales de cambio de fase (PCM) | Aitor Guijarro Belda | Julio 2016

- Si se pone un objeto con cierta temperatura en contacto con otro a una temperatura distinta, ambos intercambian calor hasta que sus temperaturas se igualan; denominado científicamente como temperatura empírica.

- Se define el calor como la energía necesaria que debe intercambiar el sistema para compensar las diferencias entre trabajo y energía interna; conocido como el principio de conservación de la energía. ΔU=Q+W o ΔU=Q-W según convenio signos ΔU= variación energía Q= calor intercambiado W= trabajo intercambiado

Imagen 523: Esquema del sentido de la transferencia de calor

- Hay una dirección en la que se llevan a cabo los procesos termodinámicos y, por tanto, la imposibilidad de que ocurran en el sentido contrario, siendo siempre del de mayor temperatura al de menor temperatura; sería la entropía del sistema.

- La afirmación de que es imposible alcanzar una temperatura igual a cero grados kelvin (-273.15 ºC) mediante un número finito de procesos físicos; planteado como el cero absoluto.

3.2. Transmisión de calor Como hemos visto la energía se transfiere del sistema con mayor calor al de menor calor y nunca a la inversa; este proceso puede producirse de tres formas distintas: Conducción Esta cualidad solo se produce por contacto entre los sistemas, trasmitiéndose la energía del emisor caliente al frio. En edificación, y más concretamente en la envolvente del edificio, la conducción es el método tradicional de construcción de los elementos que la componen; el necesario contacto de sus materiales generó el estudio y conocimiento de las resistencias térmicas de los materiales y la posibilidad de que ellas ralentizaran este proceso (como son los aislantes) que por contra es inevitable. Como sabemos el CTE DB-HE (véase 2.5.) computa el total de la resistencia térmica de la envolvente mediante la suma de las resistencias (R) de los materiales que la componen, añadiendo la resistencia superficial interior y exterior; esto solo sucede en los elementos opacos, mientras que en los semitransparentes es mediante la media ponderada.

U=e·R; siendo e la espesor del material 23

Fuente: wikipedia.es

14

Rehabilitación energética mediante fachadas ventiladas con materiales de cambio de fase (PCM) | Aitor Guijarro Belda | Julio 2016

Convección24 Se caracteriza porque se produce por medio de un fluido que transporta el calor entre zonas con diferentes temperaturas gracias a su propio movimiento. La transferencia térmica convectiva consiste en el contacto del fluido, con una temperatura inicial, con otro elemento o material a temperatura diferente. Este fluido al calentarse aumenta su volumen, al mismo tiempo disminuye su densidad y sus moléculas se aceleran haciéndolo más liviano. De esta forma que asciende desplazando el fluido que se encuentra en la parte superior y que está a menor temperatura, cediendo calor y desacelerando sus moléculas, por lo cual su temperatura disminuye y su densidad aumenta, siendo sus moléculas atraídas por la gravedad.

Las moléculas frías del fluido tiende a bajar y ocupar el nivel más bajo del volumen. Las moléculas calientes son desplazadas al nivel más

alto,

creándose

así

los

vientos

convectivos del sistema. Esta transferencia térmica se realizara hasta que los dos tengan igual temperatura.

Imagen 625: Esquema de la transmisión de calor

Todo este proceso se expresa con la Ley de enfriamiento de Newton:

Donde h es el coeficiente de convección; As es el área del cuerpo en contacto con el fluido, Ts es la temperatura en la superficie del cuerpo y Tinf es la temperatura del fluido lejos del cuerpo.

Radiación26 Llamamos radiación a la transmisión de calor entre dos cuerpos, los cuales, en un instante dado, tienen temperaturas (T) diferentes, sin existir entre ellos contacto ni conexión por otro solido conductor. Es una forma de emisión de ondas electromagnéticas (asociaciones de campos eléctricos y magnéticos que se propagan a la velocidad de la luz) que emana todo cuerpo que este a mayor temperatura que el cero absoluto. Tiene básicamente tres propiedades: 24

Fuentes: Wikipedia (https://es.wikipedia.org/wiki/Convecci%C3%B3n) y construmática (http://www.construmatica.com/construpedia/Convecci%C3%B3n) 25 Fuente: Nergiza.com 26 Fuente: Cacatherm (http://www.cecatherm.com/calefaccion-radiante/radiacion-conveccion-conduccion)

15

Rehabilitación energética mediante fachadas ventiladas con materiales de cambio de fase (PCM) | Aitor Guijarro Belda | Julio 2016

- Radiación absorbida: Es la cantidad de radiación que incide en un cuerpo y queda detenida en él, como energía interna. Aquellos cuerpos que absorben toda la energía incidente de la radiación térmica se denominan cuerpos negros.

- Radiación reflejada: Aquella radiación reflejada por un cuerpo gris.

- Radiación transmitida: Es la fracción de la energía radiante incidente que atraviesa un cuerpo.

La asociación mutua de los procesos de emisión (ɛ), absorción, reflexión y transmisión de energía radiante por diferentes sistemas de cuerpos se conoce como intercambio de energía radiante. El aire, por lo tanto, en los sistemas de transmisión de calor, es un elemento totalmente pasivo.

P=ɛ·Area·ϬT4; siendo Ϭ una constante

3.3. Almacenamiento de energía Históricamente, para lograr el confort térmico dentro de una vivienda, se utilizaba la masa como elemento constructivo sin importar el material, aunque atendiendo a un calor específico elevado y a esa masa, el material normalmente era un pétreo; este material era utilizado con la idea de aislar la temperatura interior del exterior sin tener la certeza de que también almacenaba la energía externa. Con esa idea se avanzó hasta llegar a los materiales actuales de aislamiento térmico, momento en el que también nos llegamos a plantear la absorción de energía como otro recurso constructivo. Los PCM se favorecen de este recurso de una manera óptima, y es que el cambio de fase hace que la absorción de energía se prolongue por más tiempo. Pero que un material absorba energía no sirve de nada si éste no puede ser utilizado de manera reversible y continua, consumiendo esa energía absorbida de manera ''diferida''. Es por ello que los PCM son los mejores sistemas de almacenamiento energético actualmente, TES (Thermal Energy Storage) en adelante.

La absorción energética puede darse de tres formas mediante: - Calor sensible: Es aquel que recibe un cuerpo de masa m y calor específico C p y hace que eleve su temperatura sin afectar su estructura molecular, por lo que se mantendría en su estado de origen. Esta absorción sería el caso mencionado de una vivienda con cerramientos pétreos y podría calcularse mediante la ecuación: Qs=m·Cp·ΔT dónde Qs es el calor almacenado y ΔT es el incremento de temperatura.

16

Rehabilitación energética mediante fachadas ventiladas con materiales de cambio de fase (PCM) | Aitor Guijarro Belda | Julio 2016

- Calor latente (λ): Es aquel que recibe un cuerpo de masa m sin elevar su temperatura, de forma que altere su estructura molecular, por lo que se produciría un cambio de fase, como es el caso de los PCM; en principio estas transformaciones son isotermas27, pero podemos ver que el proceso va más allá (véase 3.5.). También podríamos calcular el calor almacenado Ql mediante la ecuación: Ql=m·λ - Calor termoquímico: Es el intercambio de energía en forma de calor que acompaña a las reacciones químicas reversibles de forma exotérmica28 o endotérmica29. Toda sustancia posee energía almacenada en sus enlaces30 y cuando ésta es mayor en los reactivos (HR) que en los productos (HP) tenemos una reacción exotérmica (ΔH). El proceso invertido sería endotérmica (ΔH). ΔH=HP-HR La cantidad de calor Q que puede almacenarse en este tipo de reacción dependiendo del grado de conversión alcanzado en la reacción (ar) y la masa (m) puede calcularse mediante: Qt=ar·m·ΔH Previamente hemos mencionado los TES, que puede entenderse como cualquier material que almacene energía térmica. Esto, en principio, es cierto y como hemos mencionado un pétreo almacena energía. Pero cuando hablamos de los TES, tratamos de identificar materiales cuyo almacenamiento de energía térmica pueda usarse posteriormente en intervalos de tiempo más o menos controlados. Es en este punto, puede plantearse un debate sobre que materiales con propiedades de absorción entrarían en el conjunto menor de los TES. Como ejemplo claro de ellos tendríamos las placas solares, aunque son un conglomerado de materiales, y por supuesto los PCM. Materiales como los pétreos y el agua estarían en la frontera según la aplicación y sistema que generasen. Más adelante (punto 4.2.) podremos ver esta definición con más exactitud aunque ahora podemos abordar algún dato que lance algo de luz sobre este tema:

27

Isoterma: Propiedad por la cual la temperatura se mantiene constante pudiéndose acumular y recuperar.

Exotérmico: Proceso por el que se desprende energía.

29 Endotérmico: Proceso que absorbe energía para llevarse a cabo el cambio de estado.

30 Entalpía: es la cantidad de energía que un sistema intercambia con su entorno.

28

17

Rehabilitación energética mediante fachadas ventiladas con materiales de cambio de fase (PCM) | Aitor Guijarro Belda | Julio 2016

Propiedad

Roca

Agua

PCM Orgánico

PCM Inorgánico

3

Densidad kg/m

2240

1000

800

1600

1.0

4.0

2.0

2.0

190

230

152

368

5300

4350

Calor específico kJ/kg Calor latente kJ/kg Calor latente kJ/m3 6

67000 16000

Masa para almacenar 10 J kg 6

3

Volumen para almacenar 10 J m

30.0

16.0

6.6

2.7

Masa relativa de almacenamiento

15.0

4.0

1.2

1.0

Vol. relativo de almacenamiento

11.0

6.0

2.5

1.0

Tabla 831: Comparativa de propiedades entre elementos.

3.4. Inercia térmica32 La inercia térmica es un recurso utilizado en la arquitectura bioclimática. Consiste en la capacidad de determinados elementos (arquitectónicos en este caso) para almacenar calor (energía), conservarlo y liberarlo de una manera paulatina, permitiendo un menor uso de sistemas mecánicos de calefacción e incluso de refrigeración. Esto permite conseguir temperaturas estables a lo largo del día, y por tanto el confort térmico deseado. La inercia térmica depende de las siguientes características del material de dicho elemento: - Calor especifico (c): Es la capacidad para almacenar calor (c= J/KgK).

- Su masa (Kg): La capacidad calorífica (C), mide la relación entre la energía o calor transmitida a un cuerpo y la variación de temperatura que experimenta (C=J/K). Cuanto mayor es la capacidad calorífica de un cuerpo, mayor energía hay que transmitirle para que aumente su temperatura en un grado; y cuanto mayor es su masa (C= c·masa (Kg)), mayor es la capacidad calorífica, y por tanto su inercia térmica.

- Su densidad (Kg/m3): Relaciona el volumen y la masa del elemento. A mayor densidad, mayor inercia térmica.

- Su coeficiente de conductividad térmica (λ): Es la capacidad para conducir calor (W/mK). Los materiales que sean buenos conductores colaboran en el aumento de la inercia térmica interior.

31

Elaboración propia Fuente: Paula Serrano Yuste (http://www.certificadosenergeticos.com/inercia-termica-construccionedificios-eficientes) 32

18

Rehabilitación energética mediante fachadas ventiladas con materiales de cambio de fase (PCM) | Aitor Guijarro Belda | Julio 2016

La inercia térmica de materiales utilizados en la construcción permite mantener la temperatura estable a lo largo del día. En verano, un muro másico, que presenta una gran inercia térmica, absorbe calor durante el día del ambiente interior. Debido a la diferencia de temperatura entre ambos lo va almacenando de manera progresiva y se disipa durante la noche. A la mañana siguiente, dicho muro ha reducido su temperatura y empieza de nuevo el ciclo.

Durante las estaciones frías, el funcionamiento consiste en almacenar calor durante el día, para después devolverlo al ambiente interior durante la noche cuando desciende la temperatura. Se trata de mecanismos de refrigeración y calefacción pasivos, que aprovechan la diferencia de temperatura entre el elemento constructivo y su entorno, amortiguan las diferencias térmicas y se comportan de forma anticíclica.

Imagen 733: Gráfica comparativa entre inercias térmicas

Como podemos observar, esta es una de las características principales de los PCM, la cual ya mencionábamos en el apartado 2.2. de este documento.

La inercia térmica implica un estudio previo del clima en el que se ubica el edificio para garantizar la mayor efectividad posible; y es que dentro de climas extremadamente cálidos (noches con temperaturas superiores a 25º) o climas fríos deja de ser beneficiosa. En estos casos la solución sería dotar la vivienda de mayor aislante térmico, como puede verse en las construcciones de Estados Unidos, Canadá y Norte y Centro de Europa, donde las viviendas se construyen con madera, los aislantes tienen espesores importantes, los vidrios son muy aislantes con sellados continuos y no existen juntas.

33

Fuente: certificadosenergeticos.com

19

Rehabilitación energética mediante fachadas ventiladas con materiales de cambio de fase (PCM) | Aitor Guijarro Belda | Julio 2016

Podemos destacar materiales con gran conductividad térmica y por tanto favorecen la inercia térmica como los de la siguiente tabla: Densidad (KG/m3)

Material

Calor específico (J/Kg·K)

Conductividad térmica (W/m·K)

Acero

7850

460

50

Agua

1000

4186

0.58

Aire

1.2

1000

0.026

Aluminio

2700

909

215

Espuma de poliuretano

40

1674

0.029

Granito

2750

837

3

Hormigón

2200

937

1.4

Ladrillo común

1800

840

0.8

Madera

840

1381

0.13

Mármol

2400

479

2.09

Vidrio

2700

933

0.81

Yeso

1800

837

0.81

Tabla 934: Comparación de inercia térmica

y de la cual se puede observar como una baja conductividad térmica es la base de cualquier aislante térmico.

3.5. Cambios de estado En física y química se denomina cambio de estado a la evolución de la materia entre varios estados de agregación sin que cambie su composición molecular; los tres estados más estudiados y comunes son el sólido, el líquido y el gaseoso. Hay un cuarto estado como es el plasma menos conocido pero más común en el universo. Podemos definirlos desde esa posición atómica como: - Estado sólido: La estructura de la materia contiene partículas vibrando en una posición fija.

- Estado líquido: Las partículas se desvinculan de su posición fija, pudiendo fluir y dotando a la materia la capacidad de adaptarse al recipiente que lo contiene.

- Estado gaseoso: El movimiento de las partículas aumenta de forma que la materia se expande en todas direcciones.

34

Elaboración propia fuente: Miliarium.com

20

Rehabilitación energética mediante fachadas ventiladas con materiales de cambio de fase (PCM) | Aitor Guijarro Belda | Julio 2016

- Estado plasma: Las partículas actúan de forma similar al estado gaseoso pero sin poseer equilibrio electromagnético, por lo que, en este estado, un material sería buen conductor eléctrico35.

En los cambio de estado o cambios de fase hay involucrado un gran intercambio térmico, el ya explicado calor latente en el punto 3.3.; y, aunque podemos equiparar ambos términos (estado y fase), también podemos establecer alguna diferencia, ya que el cambio de fase puede producirse dentro de un mismo estado de la materia. Entendiéndolo de mejor manera, el estado gaseoso presenta una única fase al igual que el estado líquido, mientras que el estado sólido presenta cambios de fase sólido a sólido con un menor intercambio de calor que el cambio de estado. Sin querer generar mayor duda sobre la afirmación anecdótica anterior podemos recordar los procesos en los que un estado de la materia cambia a otro36.

Imagen 837: Esquema de los cambios de estado

- Fusión: Es el paso de un sólido al estado líquido por medio del calor; durante este proceso endotérmico hay un punto en que la temperatura permanece constante. El ''punto de fusión'' es la temperatura a la cual el sólido se funde, cuyo valor es diferente para cada sustancia.

- Ebullición: Es el paso de estado líquido a gaseoso producido por el aumento de temperatura en el interior del líquido. El ''punto de ebullición'' es la temperatura a la cual un líquido determinado hierve y permanece constante mientras dura el

35

Fuente: wikipedia.es (https://es.wikipedia.org/wiki/Plasma_(estado_de_la_materia)) Fuente: wikipedia.es (https://es.wikipedia.org/wiki/Cambio_de_estado) 37 Fuente: wikipedia.es 36

21

Rehabilitación energética mediante fachadas ventiladas con materiales de cambio de fase (PCM) | Aitor Guijarro Belda | Julio 2016

proceso de cambio de estado. Si el cambio de estado de líquido a gas se produce lentamente a la ebullición la llamamos vaporización.

- Ionización: Es el cambio de gas a plasma.

- Desionización: Es el cambio de plasma a gas.

- Condensación: Es el paso de la forma gaseosa a la forma líquida, cuyo proceso inverso es la vaporización.

- Solidificación: Es el paso de un líquido a sólido de forma exotérmica. El ''punto de solidificación'' es la temperatura a la cual el líquido se solidifica y permanece constante durante el cambio.

- Sublimación: Es el proceso que consiste en el cambio de estado de la materia sólida al estado gaseoso sin pasar por el estado líquido.

- Sublimación inversa: Es el paso de estado gaseoso al estado sólido.

Esta sería el tercer aspecto teórico consecutivo que contiene la definición de los PCM, por lo que el siguiente paso sería ir directamente a ellos.

4. FUNDAMENTOS DE LOS PCM Desde la introducción de este trabajo hemos ido mencionado los materiales de cambio de fase y cuál es su leitmotiv particular de una manera muy sencilla e inicial. En los siguientes apartados nos adentraremos más en sus particularidades de forma que podamos llegar a entender con mayor claridad cómo funciona este material.

4.1. ¿Qué son?

Los PCM son una sustancia con una alta entalpía de fusión que, fundiendo y solidificando a una determinada temperatura, son capaz de almacenar y devolver de forma diferida una gran cantidad de energía. Es por eso que los englobamos

dentro

de

los

TES,

y

especificando más, estarían dentro de los LHS (Latent Heat Storage) por utilizar el calor latente como forma de almacenamiento.

Imagen 9: Esquema TES38

La principal ventaja frente a otros materiales de construcción es su elevado calor específico que, con una menor masa, puede equipararse a otros materiales, propiedad en la que reside su potencial en edificación.

38

Fuente: alibaba.com

22

Rehabilitación energética mediante fachadas ventiladas con materiales de cambio de fase (PCM) | Aitor Guijarro Belda | Julio 2016

Imagen 10: Gráficos comparativos del calor almacenado con respecto a la temperatura, espesor y peso 39

Podemos clasificarlos también dentro de ''familias'' o grupos creados en torno al punto de fusión y el calor latente, de forma que cada familia se comporta de una manera térmica similar. Estas familias, además, pueden englobarse en otros dos grupos superiores como son los PCM orgánicos e inorgánicos.

Imagen 1140: Gráfico comparativo de los diferentes PCM

Un aspecto destacable de los PCM, es que la densidad de energía es proporcional al punto de fusión (en ºK), fácilmente explicable a través de la teoría termodinámica de Richard: ''la entalpía de fusión por unidad de volumen es directamente proporcional a la temperatura de fusión, el número de enlaces por molécula y a la densidad molar'' Debido a este comportamiento los compuestos inorgánicos suelen tener mayor entalpía de fusión que los orgánicos, por lo que los primeros parecen presentar ventajas térmicas que pueden favorecer su uso (véase tabla 8, punto 3.3.); no obstante hay otros criterios a tener en cuenta para la elección de una familia que veremos en el siguiente apartado 4.2.

Requisitos para ser PCM, previo análisis de esos dos grandes grupos.

PCMs orgánicos A pesar de parecer menos ventajosos que los inorgánicos, estos compuestos también presentan alguna ventaja frente a ellos como son las fusiones congruentes y un 39

Fuente: Publicaciones 1972/2010 sobre PCM en la base de datos Compendex (https://www.engineeringvillage.com/) 40 Fuente: climatetechwiki.org

23

Rehabilitación energética mediante fachadas ventiladas con materiales de cambio de fase (PCM) | Aitor Guijarro Belda | Julio 2016

subenfriamiento41 despreciable. Dentro de ellos podemos encontrar los ácidos grasos, el bifenilo, la propanamida, la naftalina, el eritritol...entre otros42. El más destacable de ellos serían las parafinas, las cuales despuntan en primera posición como el PCM orgánico más utilizado con diferencia. Se tratan básicamente de ceras producidas con el punto de fusión deseado y un sobreenfriamiento41 prácticamente despreciable, obtenidas gracias al craqueo del petróleo. Son también muy estables, muy inertes y no reactivas, y su entalpía de fusión se encuentran en torno a 150-200 kJ/kg con una densidad inferior a 1g/cm3. Como puntos flacos tienen la baja conductividad térmica en estado sólido, su alta inflamabilidad y el gran cambio de volumen sólido-líquido. A pesar de todo, son la familia más utilizada actualmente y posiblemente la escogida para realizar las tareas de diseño de este trabajo.

PCMs inorgánicos La mayoría son las sales hidratadas, la cuales tienen una entalpía de fusión en torno a 150300 kJ/kg con una densidad inferior a 1.5 g/cm3. El agua forma base esencial de estos compuestos, creando estructuras moleculares fijas con posiciones atómicas muy definidas.

Su conductividad térmica es similar a la del agua y su presión de vapor es inferior. Un aspecto no tan positivo es que pueden segregarse en fases diferentes durante el ciclo térmico al que se le somete. También presentan un importante sobreenfriamiento, un aumento de volumen elevado en su fusión y la gran mayoría son corrosivos para múltiples metales.

Imagen 12: Esquema resumen de los PCM43

41

Subenfriamiento o sobreenfriamiento: propiedad relacionada con la solidificación de los materiales que da nombre a la elevada velocidad de reagrupación de los átomos del material cuando este se enfría 42 Fuente: patente EP2470131 A2 43 Fuente: ABHAT, A., 1983, Low temperature latent heat thermal energy storage: heat storage materials.

Solar energy, vol 30, nº4

24

Rehabilitación energética mediante fachadas ventiladas con materiales de cambio de fase (PCM) | Aitor Guijarro Belda | Julio 2016

4.2. Requisitos para ser PCM A continuación extenderemos esta cuestión ya iniciada previamente (punto 3.3.) y veremos cuáles son las propiedades que debe tener un material para poder ser considerado PCM. Podremos concretar en las siguientes restricciones ordenadas de mayor a menor importancia: - Temperatura de cambio de fase adecuada.

- Entalpía de cambio de fase elevada para permitir una gran densidad de energía almacenada, en comparación con los datos obtenidos mediante calor sensible.

- Conductividad térmica elevada (*).

- Compatibilidad con los materiales que tenga en contacto con él (*).

- Cambios de volumen pequeños.

- Conocer la velocidad de recuperación de energía térmica.

- Estabilidad en los cambios de fase con unos ciclos mínimos estables y reconocibles.

- Temperatura única de cambio de fase.

- Elevada velocidad de solidificación (*).

- Baja inflamabilidad (*).

- Presión de vapor baja.

- Bajo coste.

- Buena reciclabilidad y seguridad medioambiental.

Como vemos hay multitud de requisitos para formar parte de la familia de los PCM, y conjugarlos todos se hace aún más difícil. Los mayores problemas se dan al intentar aunar aquellos requerimientos marcados con un asterisco (*).

4.3. Propiedades Inicialmente las propiedades de un PCM son los requisitos que se piden a un material para poder formar parte de este tipo de compuestos, y si cumplen esos requisitos es que tienen esas propiedades; estamos ante un bucle cerrado. Aún así podemos definir algunas propiedades como si de un glosario se tratase:

25

Rehabilitación energética mediante fachadas ventiladas con materiales de cambio de fase (PCM) | Aitor Guijarro Belda | Julio 2016

- Entalpía de cambio de fase: Es la cantidad de energía en forma de calor que puede almacenar un material durante el cambio de fase, incluidos los momentos de estado sólido y líquido.

- Temperatura media de cambio de fase: Es la temperatura en la que el cambio de fase se produce de manera más intensa.

- Conductividad térmica: Capacidad de un material para trasmitir calor homogéneamente.

- Estabilidad frente a los ciclos térmicos: Indica la cantidad de cambios de fase que es capaz de soportar el material para una pérdida de entalpía determinada y conocida debida al desgaste del material.

Imagen 13: Estructura microscópica de los PCM con fluctuación de ciclos 44

- Subenfriamiento: Es un fenómeno que se da en los cambios de estado de líquido a sólido cuando el PCM se enfría bruscamente, de tal forma que se produce la cristalización del líquido.

Imagen 14: Gráfico explicativo del subenfriamiento45 44

Fuente: HAWLANDER, UDDIN, ZHU, 2002, Microencapsulated paraffin profile evaluated by scanning electron microscope at different thermal cycles, cited by Khudair and Farid 45 Elaboración propia

26

Rehabilitación energética mediante fachadas ventiladas con materiales de cambio de fase (PCM) | Aitor Guijarro Belda | Julio 2016

4.4. Problemas de los PCM Hasta ahora hemos presentado la parte positiva de este material, denotando algunos aspectos negativos o no tan agradables. Incluso algunos requisitos algo menos favorables podrían plantear su elección para un proyecto. A continuación intentaremos remarcar algunos de los problemas generales que también pueden plantear.

Una de las propiedades fundamentales de los PCM es su cambio de fase, característica que altera su estructura molecular; de esta forma requieren, normalmente, de un contenedor para que no puedan dispersarse. Éste, por tanto, debe ser afín al PCM desde un punto de vista térmico, mecánico y químico.

La forma habitual de contener el PCM dentro de otro material es mediante la técnica de inmersión. Es necesario un material poroso que, tras sumergirse en PCM derretido, lo absorba por capilaridad.

Otra forma de contenerlos es a través de la técnica del encapsulamiento, la cual se realiza normalmente con polímeros o metales. Actualmente esta técnica ha evolucionado hacia el microencapsulamiento, de tal forma que el PCM y su contenedor asemejan a una cubitera.

El PCM se aísla del resto de materiales de manera que se puedan mezclar sin que estén en contacto con él.

Imagen 1546 y 1647: PCM macroencapsulado (izq.) y microencapsulado (dch.)

El segundo problema recientemente mencionado proviene de la dilatación térmica; como sabemos estos materiales pueden variar su volumen hasta un 10% afectando directamente al contenedor.

Por último, tendríamos su vida útil. Normalmente estos materiales pierden o degradan sus propiedades tras unos ciclos de usos, debido a los constantes cambios de fase y la corrosión entre ellos y sus contenedores. Esta es la principal causa que ha limitado su utilización en construcción.

46 47

Fuente: cryopak.com Fuente: fabral.com

27

Rehabilitación energética mediante fachadas ventiladas con materiales de cambio de fase (PCM) | Aitor Guijarro Belda | Julio 2016

4.5. Fabricantes y productos La industria de los PCM es relativamente reciente, por lo que el numero de fabricantes no es muy elevado en comparación al resto de materiales de construcción. Lo normal es encontrar grandes multinacionales que han creado un departamento específico que investiga sobre este tema, siendo el número de empresas dedicadas 100% a estos compuestos muy inferior. Podemos destacar grandes corporaciones como Basf o Dupont, las cuales centran la gran parte de su investigación en las parafinas.

Empresa (producto)

Tipos de PCM

País

Basf (Micronal)

Parafinas microencapsuladas

Alemania

Dupont (Energain)

Panel con masa polimérica

Gran Bretaña

Rubitherm

Parafinas y paneles fibrosos

Alemania

EPS Ltd

Sales hidratadas

Gran Bretaña

PCM Energy

Sales hidratadas macroencapsuladas

India

Dörken (Deltacool)

Sal hidratada macroencapsulada

Alemania

Climator

Bolsas de aluminio

Suecia

Cristopia

Macroencapsulados

Francia

Microtek

Parafinas microencapsuladas

Estados Unidos

Phase change products Pty Ltd

Sal hidratada infiltrada

Australia

Salca (Thermusol)

Sales hidratadas microencapsuladas

Holanda

SGL (Ecophit)

Grafito expandido con PCM

Alemania

Datum Phase Change Ltd

Infiltrado en yeso

Gran Bretaña

Knauf (PCM Smart Board)

Prefabricados de base de yeso

Alemania

Valentin

Software de cálculo PCM Express

Alemania

Beissier (termiplast)

Revoco con PCM

España

Thermacool (Tile)

Microencapsulados

Gran Bretaña

Saint Gobain (Alba)

Revoco con PCM

Suiza

Tabla 1048: Comparativa de empresas productoras

Micronal Este producto suele ser base de otros productos mencionados en la tabla. La gran cantidad de ciclos que puede aguantar, prolonga su vida útil por encima de los treinta años.

Tabla 1149: Comparativa entre tipos de Micronal y sus propiedades 48 49

Elaboración propia Fuente: Micronal PCM, Katalog für Architekten und Planer, Basf. micronal.de

28

Rehabilitación energética mediante fachadas ventiladas con materiales de cambio de fase (PCM) | Aitor Guijarro Belda | Julio 2016

Energain Proporciona masa térmica adicional gracias a las ganancias solares. Los paneles de aluminio laminado aumentan los niveles de confort, ahorran en los costes de energía y reduce las emisiones de CO2.

Este estudio sobre las empresas más conocidas ha dado lugar a poder conocer con más detalle los productos que se comercializan. De esta forma, no nos quedamos en las familias, o en orgánicos o no orgánicos, ni en contenedores,

encapsulados

o

microencapsulados. También podemos encontrar la materia prima de las siguientes formas:

Tabla 1250: Propiedades Energain

- Productos a granel.

- Composites.

- En polvo.

- Líquido en polvo.

- Pasta alveolizada.

- PCMs personalizables.

De las cuales, podemos obtener, entre otros, productos como los siguientes: - Placas de falso techo.

- Composites de bloques de hormigón.

- Suelos macroencapsulados.

- Composites de placas de yeso - Cerramientos macro y microencapsulados.

- Módulos para instalaciones.

- Mobiliario.

- Vidrios.

50

Fuente: DuPont Energain, Energy-saving thermal mass systems. DuPont.com

29

Rehabilitación energética mediante fachadas ventiladas con materiales de cambio de fase (PCM) | Aitor Guijarro Belda | Julio 2016

4.6. Listado de obras de referencia Mencionado con anterioridad, la intención de este trabajo es obtener algunas conclusiones provenientes de la comparación de un edificio que emplee los PCM como revestimiento exterior con el edificio de estudio en cuestión, el cual, tras realizar la toma de datos, se realizará un diseño propositivo de rehabilitación en fachada con PCM. Este diseño también planteará algunas conclusiones de su propia comparación del antes y el después. Para ello vamos a realizar un pequeño glosario de algunas obras que emplean este material como principio de confort térmico. En el apartado siguiente explicaremos los datos reales de las obras escogidas que mejor extrapolen sus condicionantes a los que tenemos en la vivienda de levante.

Nomenclatura Tipología

Año

Localización

PCM

Objetivo

Casa Steve Baer

1971

Nuevo México

Muro de bidón de

Amortiguar la variación de

agua

la onda térmica

Microencapsulado

Rehabilitación energética

en yeso

total

Microencapsulado

Energía de calefacción y

Sodastrasse 40

Residencial

Residencial

1890-

Alemania

2005 Solar decathlon

Residencial

2009

Arizona

refrigeración pasiva Maria Telkes

Residencial

1948

Massachusetts

house

Bidón con sal de

Almacenamiento térmico

Glauber

iCon

Oficinas

2011

Reino Unido

Contenido en el

Masa térmica

muro Biblioteca de

Docente

-

Suecia

En placa metálica

Sköde

Falso techo como control térmico

Green Frame

Residencial

2010

Italia

House

Revestimiento del

Masa térmica en containers

contenedor

Casa Ebnat-

Residencial

2001

Suiza

Kappel Busipolis

Oficinas

2010

Francia

Plástico con

Elementos traslucidos de

parafinas

almacenamiento

Contenido en el

Masa térmica

muro Viviendas en

Residencial

Domat Ems

2004

Suiza

Vidrio con

Elementos traslucidos de

cámara y PCM

almacenamiento

Tabla 1351: Comparativa de referencias y sus características

Las publicaciones que pueden dar obras de referencia son escasas, y algunas dan una información escueta. De las pocas edificaciones o prototipos que hemos logrado encontrar, se han escogido para la tabla aquellos con los que menos datos contamos, dejando para el apartado siguiente las obras con mayor desglose de información.

51

Elaboración propia

30

Rehabilitación energética mediante fachadas ventiladas con materiales de cambio de fase (PCM) | Aitor Guijarro Belda | Julio 2016

Imagen1752: Sodastrasse 40 (arriba) Imagen 1854: Busipolis (abajo)

Imagen1953: Solar decathlon (arriba) Imagen 2055: Green Frame House (abajo)

4.7. Datos empíricos Tal vez sea este el apartado más importante hasta el momento. Intentamos recabar información lo suficientemente veraz para poder encontrar el diseño de la fachada en una vivienda de levante más eficaz.

Encontrar investigaciones sobre los PCM es bastante sencillo, las propias casas comerciales que mencionábamos con anterioridad disponen de ellas; encontrar, sin embargo, datos fiables y comparativos de viviendas con y/o sin PCM es algo más complejo. A pesar de ello vamos a intentar extrapolar los datos de algunos informes recapitulados, con la intención de poder entender más fácilmente que ocurriría si la vivienda de estudio se rehabilitase con PCM. Viviendas en Domat Ems Recordemos que esta vivienda ya aparecía en el apartado anterior, y utilizaba las propiedades del vidrio para optimizar el efecto del PCM. La utilización de GlassXcrystal56 se utiliza en 148 m2 de la fachada sur, junto con aislamiento térmico traslucido, acumulador térmico y protección contra la radiación solar en verano. Este sistema de acristalamiento garantiza un factor solar inferior a 0.5W/m2, utilizando hidrato de sal en lugar de parafina por razones de protección contra incendios.

52

Fuente: VOGELSANG, J., 2005, Neue Wege mit Innendämmung in historischer Bausubstanz Fuente: solar decathlon.gov 54 Fuente: Flickriver.com 55 Fuente: inhabitat.com 56 Producido por Dörken; PCM compuesto de cloruro de calcio esahidratado transparente en estado líquido y translúcido en estado sólido 53

31

Rehabilitación energética mediante fachadas ventiladas con materiales de cambio de fase (PCM) | Aitor Guijarro Belda | Julio 2016

Imagen2157: Sección horizontal

Imagen2258: Sección vertical 57

MASELLI, P., 2010, Las aplicaciones arquitectónicas de los materiales con cambio de fase en los cerramientos exteriores, Universidad Politécnica de Cataluña 58 MASELLI, P., 2010, Las aplicaciones arquitectónicas de los materiales con cambio de fase en los cerramientos exteriores, Universidad Politécnica de Cataluña

32

Rehabilitación energética mediante fachadas ventiladas con materiales de cambio de fase (PCM) | Aitor Guijarro Belda | Julio 2016

1.- Vidrio templado de 6 mm de seguridad.

2.- Cámara de aire, rellena con gas inerte de 19 mm. En su interior cuenta con un vidrio prismático con efecto Fresnel59, el cual rechaza, en verano, la radiación directa para que las sales cambien de fase y puedan actuar refrescando el ambiente interior.

3.- Luna de vidrio templado de 6 mm.

4.- Cámara de aire, rellena de gas inerte de 10 mm.

5.- Vidrio templado bajo emisivo de 6mm.

6.- Contenedores de 50x1 mm de 25 mm, conectados entre ellos, de policarbonato trasparente, para aumentar la absorción. Contienen cloruro de calcio e hidrato de sal como compuesto PCM. Su temperatura de fusión está entre los 26 y los 18 ºC, con una capacidad de almacenamiento de 1185 Wh/m2.

7.- Vidrio de 6 mm a elección del usuario con serigrafía cerámica como acabado.

Imagen2360: Gráfica correspondiente a invierno

Imagen2461: Gráfica correspondiente a verano 59

Controla cuán reflectivo es el material dependiendo del ángulo entre la superficie normal y la dirección de observación.

60 MASELLI, P., 2010, Las aplicaciones arquitectónicas de los materiales con cambio de fase en los cerramientos exteriores, Universidad Politécnica de Cataluña 61 MASELLI, P., 2010, Las aplicaciones arquitectónicas de los materiales con cambio de fase en los cerramientos exteriores, Universidad Politécnica de Cataluña

33

Rehabilitación energética mediante fachadas ventiladas con materiales de cambio de fase (PCM) | Aitor Guijarro Belda | Julio 2016

Estas gráficas muestran la temperatura de cada una de las capas del cerramiento, pero las de mayor interés son: la línea celeste (temperatura aire exterior) y la línea aguamarina(temperatura vidrio interior); esta última por falta de la temperatura del aire interior.

Como vemos, en invierno este sistema de vidrios aumenta la temperatura del vidrio interior hasta en 10 grados, por lo que podemos aventurar que la temperatura interior difiere en +5 ºC del exterior.

En verano, a pesar de reducir la temperatura en un par de grados en el momento de mayor incisión solar, por la noche la temperatura de confort estaría mejor tratada sin este sistema constructivo. El vidrio prismático subsanaría (pero sin lograrlo completamente) las carencias térmicas que presenta un sistema que trabaja con efecto invernadero.

USA Air Force En este caso vemos como una fuerza militar quiere aprovechar las características de los PCM para llevar el ahorro de energía y climatización a sus instalaciones. Mandan realizar un estudio en dos pabellones; ambos iguales pero con la diferencia de utilizar PCM en uno de ellos. Este último tiene fachadas con distintos espesores de PCM para estudiar su comportamiento superficial. Las propiedades del PCM utilizado junto con las capas fueron: Descripción

PCM 3

Densidad (kg/m )

830

Temperatura de fusión (ºC)

23

Calor específico (kJ/kg·K)

2.1

Calor latente (J/g)

200

Viscosidad (CP a los 30 ºC)

13

Punto de ebullición (ºC)

260

Conductividad termal (W/m·K)

0.2

Sección 1

Sección 2

Sección 3

Sección 4

Habitación A Paneles de yeso de 16 mm

2

2.73 kg/m PCM

-

2.73 kg/m2

9.76 kg/m2

PCM

PCM

Aislamiento de fibra de vidrio Aislamiento EPE de 160 mm Panel de madera de 3 mm

Tabla 1462: Propiedades del PCM (arriba-izq.)

Tabla 1563: Composición del cerramiento Imagen2564: Composición del cerramiento

Habitación B

62

Elaboración propia fuente de USA Air Force Elaboración propia fuente de USA Aire Force 64 Fuente: USA Air Force, 2011, Utilization of PCM to reduce energy consumption in buildings 63

34

Rehabilitación energética mediante fachadas ventiladas con materiales de cambio de fase (PCM) | Aitor Guijarro Belda | Julio 2016

El estudio se realiza mediante una matriz de toma de datos en puntos específicos de cada pared, llegando a obtener innumerables datos en pocos centímetros de diferencia. Esta matriz se utiliza en orientaciones con diferentes grados en los cuatro puntos cardinales, a diferentes horas y a diferentes temperaturas; también repiten cada prueba dos veces, por lo que estamos ante el estudio más completo. Sin necesidad de mostrar todos los datos, muchos de ellos prácticamente similares, escogeremos un par de gráficas que pueden ejemplificar el estudio completo y servir para nuestro propósito.

En ellas podemos ver como el PCM de mayor densidad (2.0-lb/ft2 = 9.76 kg/m2; línea verde) tarda más en acumular energía (7 a.m.), pero a lo largo del día, trabaja mejor, llegando a reducir en 0,5 ºC la temperatura exterior.

La segunda gráfica aglomera algunos de los datos superficiales de cada cerramiento con el PCM de mayor densidad. Si observamos las líneas de la habitación sin PCM y la habitación con PCM, hablamos de reducir la temperatura exterior en torno a 1.5 ºC en el interior.

Imagen2665: Comparación cerramiento 100º Oeste a 24,5 ºC

Imagen2766: Temperaturas de las capas con PCM de 9.76 kg/m2 PCM y sin PCM-100º Oest 65 66

Fuente: USA Air Force, 2011, Utilization of PCM to reduce energy consumption in buildings Fuente: USA Air Force, 2011, Utilization of PCM to reduce energy consumption in buildings

35

Rehabilitación energética mediante fachadas ventiladas con materiales de cambio de fase (PCM) | Aitor Guijarro Belda | Julio 2016

Solarsiedlung Este proyecto no es una investigación científica donde se estudian las variables y se aplican pequeños cambios posteriormente evaluados. Estamos ante un complejo de edificios, los cuales, forman una pequeña comunidad que tiene desde viviendas hasta ultramarinos. No solo aplica la tecnología de los PCM, también utiliza placas solares como cubiertas. Los datos obtenidos en estos edificios no son muchos, pero hablan de 0.5 ºC de variación entre el exterior y el interior; y a pesar de pocos datos, la importancia reside en que son construcciones habitadas y usadas, donde el confort es apreciable en sus usuarios.

Imagen2867: Simulación de temperatura en espacio con y sin PCM

Habitaciones en la universidad de Bagdad Este estudio es similar al de las fuerzas aéreas estadounidenses, pero realizado por una universidad. Vuelven a realizar una comparación, esta vez entre dos habitaciones. En este caso añaden un paso previo, unos cálculos teóricos para tratar de predecir el comportamiento de estos habitáculos.

Estamos en un clima mucho más cálido a pesar de presentar una carta solar similar a la de Alicante. El sistema constructivo empleado tampoco difiere demasiado, ya que trabajan con un cerramiento de ladrillos cerámicos, mortero de cemento y placas de yeso; la habitación con PCM utiliza aluminio para contener las parafinas.

Imagen2968: Variación de la temperatura de las salas con y sin PCM a una altura de 1.5m en el mes de agosto 67

Fuente: Dienstleistungszentrum mit innovativem Energiekonzept, DBU Fuente: Hussein, J., Phase Change Materials-Assisted Heat Flux Reduction: Experiment and Numerical Analysis, MPDI 68

36

Rehabilitación energética mediante fachadas ventiladas con materiales de cambio de fase (PCM) | Aitor Guijarro Belda | Julio 2016

Imagen3069: Variación de la temperatura de las salas con y sin PCM a una altura de 1.5m en el mes de enero

En las gráficas volvemos a ver el favorable comportamiento del PCM en comparación al ambiente exterior; observamos diferencias de 5 ºC tanto en verano como en invierno. La duda llega al tener un clima tan cálido que supera los 40 ºC en verano, y cómo el PCM es capaz de mantener una temperatura de confort en las horas más agresivas del día. Ya veíamos en el primer caso los problemas que podían aparecer en verano, y como podría ventilarse la fachada para ayudar el PCM. Mediterranean Greek house Se trata de una casa unifamiliar situada al oeste de Grecia, con un clima y carta solar

muy similar

a

Alicante. La

tipología constructiva usada sí que difiere

bastante

tradicionalmente

a en

la

empleada

España.

Nos

encontramos frente al primer estudio exhaustivo in situ de otra vivienda habitada, donde los usuarios necesitan confort térmico.

Imagen3170: Sección horizontal

El estudio se realiza durante todo un año, aunque casualmente los tres meses de verano realizan mantenimiento, por lo que faltan esos datos.

También abarcan mediciones en las cuatro fachadas, diferenciando el espacio interior y a lo largo de 24 horas.

Imagen3271: Valores de la temperatura de la pared 69

Fuente: Hussein, J., Phase Change Materials-Assisted Heat Flux Reduction: Experiment and Numerical Analysis, MPDI 70 Fuente: MANDILARAS, M., 2013, Experimental thermal characterization of a Mediterranean residential building with PCM gypsum board walls, Elsevier 71 Fuente: MANDILARAS, M., 2013, Experimental thermal characterization of a Mediterranean residential building with PCM gypsum board walls, Elsevier

37

Rehabilitación energética mediante fachadas ventiladas con materiales de cambio de fase (PCM) | Aitor Guijarro Belda | Julio 2016

Imagen3372: Tiempo promedio mensual en el que las caras externas e internas de las paredes exteriores de la casa obtienen sus valores de temperatura pico.

Lo destacable de este estudio es la última gráfica expuesta. Vemos como trabajan las fachadas en diferentes orientaciones. De todos estos datos nos quedaremos con el medio grado de diferencia en verano, y los 3 ºC de diferencia del interior con respecto al ambiente exterior en invierno.

ORNL Los PCM son bastante actuales en comparación al resto de materiales de construcción. Su uso aun está siendo estudiado y los edificios construidos

copan

publicaciones

como algo novedoso. El siguiente estudio del Oak Ridge Natioal Laboratory vas más allá; trata de mejorar las propiedades de los PCM, en este caso parafinas, imbuyéndolos en las cámaras

Imagen3473: Sección constructiva

de aire o el propio aislante térmico. Con esto aseguran variaciones de temperaturas de hasta 3 ºC.

Imagen3574: Temperaturas superficiales 72

Fuente: MANDILARAS, M., 2013, Experimental thermal characterization of a Mediterranean residential building with PCM gypsum board walls, Elsevier 73 Fuente: KÓSNY, J., 2006, PCM-Enhanced Building Envelopes in Current ORNL Research Projets, ORNL 74 Fuente: KÓSNY, J., 2006, PCM-Enhanced Building Envelopes in Current ORNL Research Projets, ORNL

38

Rehabilitación energética mediante fachadas ventiladas con materiales de cambio de fase (PCM) | Aitor Guijarro Belda | Julio 2016

Office Blocks in Berlín Los casos anteriores aplicaban el PCM en fachada o cubierta, esta última con el mismo sistema constructivo que la fachada. En esta toma de datos volvemos a encontrarnos con un edificio construido, pero sin PCM. Esta situación es beneficiosa para poder comparar cualquier estancia con otra que sí se le aplique PCM; una rehabilitación en fachada supondría mucho dinero y tiempo, por lo que trabajan en el falso techo para incorporar el PCM. Para ello utilizan parafinas microencapsuladas.

La forma de trabajar del falso techo es de forma activa, al contrario que el resto de casos expuestos, pues acumula energía para después aprovecharla. El problema reside en invierno, donde la carga térmica no es muy alta; época en la cual más se necesita calor.

Imagen3675(arriba): Radiación solar y temperaturas en las habitaciones de ensayo en el 3er y 5º piso- sin refrigeración.

Imagen 3776 (abajo): Radiación solar y temperaturas en las habitaciones de ensayo en el 3er y 5º piso - con refrigeración 75

Fuente: FISCH, M., N., Use of Microencapsulated Phase Change Materials in Office Blocks, Universidad Técnica de Brunswick 76 Fuente: FISCH, M., N., Use of Microencapsulated Phase Change Materials in Office Blocks, Universidad Técnica de Brunswick

39

Rehabilitación energética mediante fachadas ventiladas con materiales de cambio de fase (PCM) | Aitor Guijarro Belda | Julio 2016

En un ambiente veraniego podemos ver que el PCM sigue trabajando de forma pasiva; vemos la diferencia de unos 3 ºC de la planta con PCM a la planta sin él. Aún así, es en el momento activo del PCM cuando vemos una curva de inercia térmica menor.

Como vemos, todos estos datos recopilados en los informes de cada edificación atienden a tipologías constructivas diferentes; ninguna es exactamente igual a la vivienda de levante con la que vamos a trabajar. Este hándicap tratamos de subsanarlo con la cantidad de investigaciones expuestas y, entre todas, poder llegar a extrapolar sus datos hacia nuestra vivienda. De igual modo, las cartas solares presentan similitudes más o menos parecidas a la carta solar alicantina; en el ''Anejo I: Cartas Solares'' podemos compararlas.

Descripción Viviendas en Domat EMS USA Air Forces

PCM (e)

Tipología Constructiva

hidratada

Conjunto de vidrios

Suiza

+5 ºC

Florida

+1.5 ºC

-1.5 ºC

Friburgo

+0.5 ºC

-0.5 ºC

Irak

+5 ºC

-5 ºC

Grecia

+3 ºC

-0.5 ºC

Sur EE.UU.

+3 ºC

-3 ºC

Berlin

+3 ºC

-3 ºC

(25mm) - (20 mm) - (-)

PYL/PCM/Fibra de vidrio/EPE/Madera -

Universidad de

Parafina

LHD/Mortero/PYL

Bagdad

(25 mm)

+PCM(aluminio)

Mediterranean

Parafina

EPS/Panel cemento/

Greek House

(30 mm)

AT/PYL/CA/AT/PYL+PCM

Parafina (12 mm)

Office blocks

ΔºC INV

Sal

Solarsiedlung

ORNL

Carta Solar

Parafina (-)

ΔºC VER Efecto invernadero

Papel de aluminio/EPS+PCM x2/ Papel de aluminio/EPS+PCM x2/ Papel de aluminio/fibra de vidrio Falso techo de PYL con PCM

Tabla1677: Resumen de los datos de las obras de referencia

Con esta tabla resumen podemos observar un muy buen funcionamiento en invierno, mientras que en verano es más cuestionable. Tal vez una solución de vidrios como el caso primero pero ventilando la cámara, solvente los problemas de exceso de radiación térmica.

De igual manera, la mayoría de datos se obtienen de una utilización interior de los PCM, por lo que el posterior diseño sería adecuado realizarlo de esta forma.

77

Elaboración propia

40

Rehabilitación energética mediante fachadas ventiladas con materiales de cambio de fase (PCM) | Aitor Guijarro Belda | Julio 2016

PARTE 2: Toma de datos

5. CONTEXTO CLIMÁTICO Y CONSTRUCTIVO EN LA VIVIENDA DE LEVANTE Antes de poder estudiar el ámbito en el que basamos este documento, debemos pensar hacia dónde vamos; el punto final, sin duda, es el usuario. Nuestra labor siempre se ha centrado en él, y la rehabilitación energética mediante PCM busca agasajarlo en aspectos algo más subjetivos.

La norma ISO 7730 define el confort térmico como ''Esa condición de mente en la que se expresa la satisfacción con el ambiente térmico''. Podemos estar de acuerdo o no, se aprecia ese aspecto subjetivo en esta afirmación; pero también expresa que es bastante complicado trasladar el confort térmico a parámetros físicos. La mayoría de usuarios explicarían cuáles son sus preferencias térmicas, diferentes todas e imposible de aglutinarlas en 30 centímetros de fachada.

Por ello, el paso previo sería establecer unas condiciones de confort térmico objetivas.

5.1. Condiciones de confort Lograr este objetivo depende de factores como la temperatura del aire, la humedad del ambiente, el factor sombra... pero también de aspectos como la calidad del aire, el ruido, la luz, la actividad física, la temperatura del cuerpo...

Imagen 3878: Relación entre temperatura ambiente y temperatura del cuerpo humano 78

Fuente: Zona variable de Confort Térmico. Cabaña primitiva, capítulo 2, TDX

41

Rehabilitación energética mediante fachadas ventiladas con materiales de cambio de fase (PCM) | Aitor Guijarro Belda | Julio 2016

Definirlos y aunarlos todos es prácticamente imposible, amén de los que podría añadir cada individuo. Por ello, definiremos aquellos más relevantes y, posiblemente, objetivos que afecten a nuestro estudio.

Temperatura de bulbo seco Es la temperatura media sobre un material en ausencia de humedad. Afirmación que, revisada la documentación de los datos empíricos, se establece entre los 21 y 26 ºC; por lo que un valor de 23.5 ºC parece lo ideal.

Hay que tener en cuenta las diferencias térmicas en los distintos meses del año, y atendiendo a conceptos subjetivos como la temperatura del cuerpo humano, mantener ese intervalo parece más sensato que realizar una media. Es por ello, que nuestro diseño tratará de establecerse entre esos valores y no en un único dato.

Humedad relativa Este concepto va ligado al anterior; un porcentaje mayor de humedad relativa acentuará la sensación térmica del ambiente, mientras que si es próximo a 0% notaremos un ambiente seco y poco agradable. Diferentes estudios establecen unos porcentajes entre el 30% y 60% como valores adecuados para este concepto.

Velocidad del aire interior Evitar ambientes cargados y no renovados es aconsejables para nuestro objetivo. El HS3 previene esta situación, obligando a calcular la cantidad de aire necesario que debe renovarse.

5.2. Características de la zona de estudio El planteamiento del contenido de estudio aboga por la vivienda de levante, teniendo por tanto, un edificio con el que trabajar con estas características. El edificio escogido se encuentra en el centro de Alicante, en la calle San Vicente número 21, muy cerca del mercado central.

No lo escogemos solamente por representar el conjunto de edificios alicantinos climática y tipológicamente hablando, si no por ser una construcción realizada en plena efervescencia del CTE. De esta forma, queremos, también, comprobar su cumplimiento o no antes y después del uso de los PCM. El edificio, entre medianeras, tiene una única fachada orientada al este, con edificaciones enfrente a unos 10 metros que proporcionan sombra.

42

Rehabilitación energética mediante fachadas ventiladas con materiales de cambio de fase (PCM) | Aitor Guijarro Belda | Julio 2016

Imagen 3979: Plano de situación fondo y figura de la vivienda de estudio

Por otra parte, se encuentra bajo el clima mediterráneo, disfrutando de buenas temperaturas durante todo el año. Pero que sean buenas o malas no es de interés; el interés reside en la cuantificación, no en la cualificación del clima.

Tabla 1780: Datos climáticos de la ciudad de Alicante

79 80

Elaboración propia Fuente: Wikipedia.es a través de aemet

43

Rehabilitación energética mediante fachadas ventiladas con materiales de cambio de fase (PCM) | Aitor Guijarro Belda | Julio 2016

Como vemos, las temperaturas medias más desfavorables serian de 30.5 ºC en verano y 6.3 ºC en invierno, datos que posteriormente serán los escogidos para realizar cálculos y simulaciones. Estos, por supuesto, conciernen al día y a la noche respectivamente.

En verano tendríamos esos 30.5 ºC por el día, mientras que por la noche descendería a 21,2 ºC; este último dato se mantendría dentro de la zona de confort. A pesar de ello, 21,2 ºC sería el punto más bajo, siendo normalmente superior; la necesidad de temperaturas más bajas por la noche debido a niveles de temperatura corporal inferiores cuando se duerme, nos debe influir en el diseño final. También, recordar que los datos de las investigaciones expuestas daban que pensar en las situaciones veraniegas.

En invierno, con temperaturas diurnas de 17 ºC como máxima, hacen ver el favorable comportamiento que podrían tener los PCM en nuestro clima. Sumándole que tenemos una de las provincias con más horas de Sol (2851 h.), el invierno se pronostica como la época ideal para ''nuestro'' material.

Tabla1881: Datos de temperatura y humedad de la ciudad de Alicante

También vemos como la humedad relativa es algo superior al intervalo entendido como confortable, pero al ser datos orientativos, y no sobrepasarse demasiado, podemos entenderlos como datos dentro de la norma.

Por último, la carta solar de Alicante se adjunta en el Anejo I junto con el resto de cartas solares del apartado 4.7. Datos empíricos.

81

Fuente: wikipedia.es

44

Rehabilitación energética mediante fachadas ventiladas con materiales de cambio de fase (PCM) | Aitor Guijarro Belda | Julio 2016

5.3. Caso de estudio Como hemos mencionado el edificio de estudio se sitúa en Alicante, en la calle San Vicente número 21. Consta de 3 medianeras y una única fachada orientada al este. Tiene 3 sótanos, dos locales comerciales en planta baja, 5 plantas con 3 viviendas por planta y una planta de áticos.

Pertenece a la tipología de bloque de manzana cerrada con una envolvente exterior de piedra natural; la capa interior está resuelta con placa de yeso laminado. Las plantas de pisos tienen un voladizo con respecto a la alineación, que completa el espacio interior sin ser terraza/balcón. Los huecos del cerramiento tienen dimensiones variables, pero con un alto de 1.5 metros constante; se resuelven con carpintería de PVC con rotura de puente térmico, triple vidrio con cámara de aire (control de rayos UV, calor y sonido) y persiana.

Podemos ver la sección tipo en la siguiente imagen: Exterior Pétreo natural

30 mm

Ladrillo cerámico hueco doble

90 mm

Aislamiento térmico PUR

50 mm

Ladrillo cerámico hueco doble

90 mm

Placa de yeso laminado

15 mm

Carpinterías

PVC

Vidrios

triples Interior

Imagen 4082 y Tabla 1983: Sección tipo de la fachada con datos propios

De forma que podamos entender el edificio de la mejor forma posible, y tener los datos mucho más accesibles, contaremos con la siguiente tabla resumen y la planta tipo: Emplazamiento

Calle San Vicente, 21. Alicante (03004)

Ref. Catastral

9877928YH1497F000

Año construcción

2007

Uso principal

Residencial

Usos subsidiarios

Locales y plazas de aparcamiento

Nº plantas sobre rasante

6

Nº viviendas

18

Nº plantas bajo rasante Nº locales 2

Superficie en planta

426.42 m

Ancho de fachada

19.9 m.

Altura máxima de cornisa

25 m.

2

3 24

Nº plazas garaje

Superficie total

Altura máxima de sótano

2

4433.04 m

8.4 m.

Tabla 2084: Resumen de características del edificio de estudio 82

Elaboración propia Elaboración propia 84 Elaboración propia 83

45

Rehabilitación energética mediante fachadas ventiladas con materiales de cambio de fase (PCM) | Aitor Guijarro Belda | Julio 2016

Imagen 4185: Planta tipo del edificio de estudio

5.4. Simulaciones estado actual Como suma a lo anterior, hemos realizado algunas simulaciones con software informático; de esta forma podemos prever el comportamiento del edificio y la fachada frente a diferentes normativas y circunstancias.

Vemos que el edificio es coetáneo al nacimiento del CTE, por lo que las comprobaciones de LIDER y CALENER deberían ser favorables. En capítulos posteriores realizaremos estas mismas justificaciones pero añadiendo el diseño realizado con PCM, y conociendo las limitaciones de estos programas frente a materiales TES. También contamos con una simulación termográfica del cerramiento, pudiendo estudiar su comportamiento y los datos obtenidos. Del mismo modo realizaremos esta simulación aplicando PCM. Las siguientes simulaciones podemos encontrarlas completas en el Anejo II. LIDER[1] Este software oficial del ministerio permite establecer los espacios y condicionantes de cualquier edificio; obviamente con grandes limitaciones geométricas y de utilización, aunque lo importante es su vínculo con el cumplimiento del HE1.

85

Elaboración propia

46

Rehabilitación energética mediante fachadas ventiladas con materiales de cambio de fase (PCM) | Aitor Guijarro Belda | Julio 2016

En él, se deben definir las renovaciones horas establecidas en el HS-3, atendiendo a la ocupación, los metros cuadrados o el número de locales.

UD Dormitorio simple Dormitorio doble Sala de estar

2

Renovaciones Ocupación 5/persona

1.5

Personas

m2

l/s

3

-

15 35.5 l/s

1

5/persona

2

2

-

10

1

3/persona

3.5

3.5

-

10.5

2

admisión

Cocina

1

27m

-

-

19

38

53 l/s

Aseo

2

15/local

-

-

-

15

extracción

-

0.7/m2

-

-

138

96.6

Zonas comunes

17.5 l/s déficit

Tabla 2186: Datos necesarios para el cálculo de las renovaciones hora

Tras esto, hemos definido geométricamente el volumen de cada espacio ubicado en cada planta, marcando cuáles eran habitables y cuáles no. El posterior extrusionado de muros, creación de cubiertas y determinación de huecos finalizan el proceso.

Constructivamente, se deben realizar las tipologías que trabajan en el edificio, colocando cada capa en su lugar. Después, debe organizarse cada sección tipo con el muro, cubierta o suelo que le corresponde.

La imagen siguiente muestra las secciones tipo de cada cerramiento necesario aportado al programa, incluyendo los espesores y transmitancias térmicas de cada uno.

Imagen 4287: Secciones tipo de los cerramientos verticales del edificio de estudio 86 87

Elaboración propia Elaboración propia

47

Rehabilitación energética mediante fachadas ventiladas con materiales de cambio de fase (PCM) | Aitor Guijarro Belda | Julio 2016

Imagen 4388: Secciones tipo de los cerramientos horizontales del edificio de estudio

Código

Elemento

Material

Función

E01

Cerramiento exterior

Pétreo natural

Acabado exterior

E02

Mortero

Hormigón

Agarre

E03

Aislamiento térmico

Poliuretano

Envolvente térmica

E04

Ladrillo hueco doble

Cerámico

E05

Placa yeso laminado

Yeso

E06

Aislamiento

Lana de roca

E07

Pavimento/ protección

E08

Anclaje

E09

Forjado

Madera

Aluminio Hormigón armado

C. térmica

Espesor

(U=W/mK))

(mm)

2.800

20

0.030

50

0.432

90

0.250

15

0.050

20 a 50

0.130

20

-

-

Estructura

1.947

300

Acabado exterior

1.000

20

-

50

Formación cerramiento Acabado interior Envolvente térmicoacústica interior Acabado interior Sustentación falso techo

Pavimento/

B. catalán

Protección

cerámico

E11

Rastrel

Madera

E12

Lamina

Betún

Impermeabilización

0.230

10

E13

Cámara de aire

Aire

Ventilación

-

50-170

E10

Creación cámara de aire

Tabla 2289: Datos característicos de las fachadas tipo (leyenda) 88 89

Elaboración propia Elaboración propia

48

10

Rehabilitación energética mediante fachadas ventiladas con materiales de cambio de fase (PCM) | Aitor Guijarro Belda | Julio 2016

Por último, tratar de definir la posición de cada puente térmico; observar los datos, entenderlos e interpretarlos.

Imagen 4490: Resultado final del programa Lider (sin PCM)

Intuíamos un cumplimiento total del edificio con respecto al CTE, pero los resultados finales no son alentadores. A pesar de no cumplir, debemos recordar que es una simulación en la que se generaliza bastante geométricamente, por lo que podemos darle el beneficio de la duda a pesar de la veracidad de este resultado.

Esta pequeña diferencia entre el cumplimiento o no del edificio puede favorecer la posterior simulación con PCM, aunque la refrigeración dependa mayoritariamente por los huecos/vidrios, los cuales, son mejores que los que permite diseñar el software.

Frente a estos datos debemos realizar una interpretación de los mismos, ya que en este momento, los datos obtenidos no sirven de nada sin ella. Recordemos que Alicante se sitúa en una zona climática B4, la cual determina, según el HE-1, una demanda límite de 15 KWh/m2 año para calefacción (B), y una demanda límite de 20 KWh/m2 año para refrigeración (4).

El 32.9% de la demanda de referencia en calefacción hace alusión a los 4.935 KWh/m2 año que requiere el edificio, por lo que está 2/3 por debajo de la norma y por tanto cumpliríamos.

El 123.2% de la demanda de referencia en refrigeración hace alusión a los 24.64 KWh/m2 año que requiere el edificio, por lo que está por encima de la norma y por tanto no cumpliríamos.

Estos dos datos obtenidos del propio CTE (15 KWh/m2 año y 20 KWh/m2 año) no los da el programa, por lo que el porcentaje de demanda de referencia no sirve si no los obtienes 90

Elaboración propia a través de LIDER

49

Rehabilitación energética mediante fachadas ventiladas con materiales de cambio de fase (PCM) | Aitor Guijarro Belda | Julio 2016

''analógicamente''; con ambos datos calculas la demanda real del edificio objeto. La versión posterior de Lider-Calener unificado (HULC), ha variado en este aspecto, facilitando su obtención; por contra, los datos obtenidos en este nuevo software han sido recortados, por lo que su utilización se ha descartado.

Por último, la proporción relativa de calefacción refrigeración solo ayuda a verificar aquello que estas calculando, siendo lógico tener una mayor demanda de refrigeración atendiendo a la zona climática (B4) en la que nos encontramos.

CALENER[2] Si bien la anterior simulación se relaciona con la demanda energética, la siguiente hace referencia a la eficiencia de los equipos y sistemas con respecto a la demanda objeto, obteniendo de esta forma la calificación energética del edificio. Previamente a esta simulación, es favorable comprobar las facturas del consumo de cada vivienda para poder comparar los valores reales con los obtenidos, y poder otorgarle una mayor o menos veracidad.

Imagen 4591: Consumo anual de una vivienda fraccionado en bimensualidades

91

Fuente: Iberdrola.es

50

Rehabilitación energética mediante fachadas ventiladas con materiales de cambio de fase (PCM) | Aitor Guijarro Belda | Julio 2016

Imagen 4692: Resultados finales del programa Calener (sin PCM)

Del mismo modo que nos sorprenden los datos de Lider, lo hacen los obtenidos con esta simulación de Calener. Volvemos a obtener datos poco alentadores, y una calificación energética por debajo de la esperada; pero no nos podemos quedar solo con una letra, también debemos analizar los datos.

El programa nos calcula la demanda de nuestro edificio comparándolo con otro en la misma zona climática con unas características similares, el cual se supone, cumple con las exigencias mínimas. Si estamos por debajo significará que mejoramos con respecto a ese edificio ''virtual'' aunque no consigamos la mejor de las calificaciones.

92

Elaboración propia a través de Calener

51

Rehabilitación energética mediante fachadas ventiladas con materiales de cambio de fase (PCM) | Aitor Guijarro Belda | Julio 2016

En nuestro caso vemos que mejoramos un poco con respecto del edificio de referencia, pero sin lograr generar pocos kilogramos de contaminación. Tenemos demandas y consumos de calefacción y refrigeración que entendemos dentro de la normalidad, siendo el consumo de agua caliente sanitaria (ACS) el que se dispara; no entendemos este consumo tan elevado si atendemos al dimensionado de equipos tan similar a la realidad.

Al igual que en Lider, debemos tener la norma delante (HE-0) para poder comparar y verificar estos datos obtenidos con los que puedes y debes calcular también de forma ''analógica''.

HE-0

Edificio objeto

Edificio referencia

47.5

94.2

86.1

Tabla 2393: Comparación de consumos de energía primaria

En este punto, no entendemos como el edificio de referencia se presenta como aquel que cumple con las exigencias mínimas.

De igual modo, en el pdf obtenido del cálculo de Calener, la simplificación de KWh/m2 año en KWh/m2 induce a numerosos errores conceptuales, amén de las propias incongruencias que se observan en el programa.

Por último, compararemos numéricamente el consumo de la factura del edificio con los datos de Calener, de forma que podamos darle un voto de confianza a la simulación.

Bimensualidad

Consumo

Calener Referencia

Calener Objeto

Abril-mayo 2015

660 kWh

-

-

Junio-julio 2015

1426 kWh

-

-

Agosto-septiembre 2015

670 kWh

-

-

Octubre-noviembre 2015

577 kWh

-

-

Diciembre-enero 2015/16

1063 kWh

-

-

Febrero-marzo 2016

548 kWh

-

-

Sumatorio

4944 kWh/año

-

-

Iluminación 10%

-494.4 kWh/año

-

-

Cocina (5kWh)

≈-1000 kWh/año

-

-

2

Total 1 vivienda

3449.6 kWh/m año

-

-

Total edificio (18 viv.)

62092.8 kWh/m2año

145652.7 kWh/m2año

104795.4 kWh/m2año

Tabla 2494: Comparación de las demandas reales y simuladas de calefacción mas refrigeración

93 94

Elaboración propia Elaboración propia

52

Rehabilitación energética mediante fachadas ventiladas con materiales de cambio de fase (PCM) | Aitor Guijarro Belda | Julio 2016

Volvemos a observar ciertos desajustes de casi el doble entre la simulación y la realidad, por lo que la desconfianza con estos programas de simulación sigue aumentando.

THERM[3] Con este software de cálculo de puentes térmicos, no solo trataremos ese aspecto, sino que nos ayudara a entender el comportamiento térmico del cerramiento, atendiendo de forma más favorable a los aspectos de confort térmico ya explicados anteriormente. Permite establecer las temperaturas exteriores e interiores, por lo que, utilizando las temperaturas escogidas objetivamente en el apartado 4.2., hemos podido simular las condiciones críticas del invierno y el verano.

- Invierno: Text=6.3 ºC ; Tint=20.9 ºC - Verano: Text=30.8 ºC ; Tint=26 ºC Previamente hemos necesitado dimensionar el hueco en Autocad para calcar con mayor facilidad en el programa informático. El necesario cumplimiento de la normativa DB-HE que establece la prolongación de la sección constructiva 1 metro, ha generado la siguiente sección con las características anteriormente enunciadas:

Imagen 4795: Alzado y secciones del hueco de fachada actual

Los datos necesarios para esta simulación son los utilizados en la tabla 22 con una emisividad de 0.9 para todos ellos.

95

Elaboración propia

53

Rehabilitación energética mediante fachadas ventiladas con materiales de cambio de fase (PCM) | Aitor Guijarro Belda | Julio 2016

Imagen 4896: Simulaciones por isotermas y código de colores con datos asociados en invierno

Apreciamos el buen funcionamiento del aislante térmico, y como la baja conductividad de este elemento, es la que trabaja para aislar el interior del exterior.

El U-factor no trata sobre la trasmitancia térmica, ya que depende de la longitud del la condición de contorno, y variará en función de esta aunque el flujo de calor (Heat Flow) sea el mismo; este último dato nos da la cantidad de calor que atraviesa el cerramiento, con el cual, podemos obtener la trasmitancia térmica lineal. La diferencia entre la que tendríamos en un cálculo sin considerar puentes térmicos y este valor de 121.37 W con puentes térmicos nos daría la relación de pérdidas tanto exteriores como interiores. En nuestro caso utilizaremos la exterior tanto en invierno como en verano por ser lo más habitual y cómodo, trabajando en la zona de la sección tipo (antepecho).

96

Elaboración propia a través de Therm

54

Rehabilitación energética mediante fachadas ventiladas con materiales de cambio de fase (PCM) | Aitor Guijarro Belda | Julio 2016

Imagen 4997: Simulaciones por isotermas y código de colores con datos asociados en verano

Recordando el apartado 2.5. Aplicación del CTE, DB-HE, calcularemos la transmitancia térmica de nuestro cerramiento y nuestro hueco, comparándolos con los valores límite y obteniendo el cumplimiento o no. Con estos datos también podremos obtener el valor del puente térmico pudiendo, también, compararlo con el valor del puente térmico en Lider y Calener.

UMLIM=0.82 W/m2K UHLIM=4.3W/m2K98

97 98

Elaboración propia a través de Therm Teniendo en cuenta una orientación E/O y un porcentaje de huecos del 21 al 30%

55

Rehabilitación energética mediante fachadas ventiladas con materiales de cambio de fase (PCM) | Aitor Guijarro Belda | Julio 2016

Cálculo de la trasmitancia en el cerramiento Consideraremos el cerramiento como la sección tipo descrita anteriormente, utilizando los datos de trasmitancias y espesores ya mencionados, y recordando las resistencias superficiales de la tabla 4.

Rse=0.13 Rsi=0.04 Rt=Rse+R1+R2...RN...+Rsi= 0.13+

+

+

+

+

0.04= 2.32 m2K/W

UM= 1/Rt= 1/2.32= 0.43 W/m2K < 0.82 W/m2K CUMPLE ✓ Cálculo de la trasmitancia en el hueco En este caso los datos necesarios para calcular esta trasmitancia no los hemos mencionado hasta ahora; en la siguiente tabla mostramos cuales son necesarios sin pasar por el cálculo de las resistencias: Superficie (m2)

Superficie (%)

U (W/m2K)

Vidrio

2.42

0.806

1.00

Marco fijo PVC

0.34

0.113

1.90

Marco movil PVC

0.24

0.080

1.90

Total

3.00

100

-

Material

Tabla 2599: Superficies y trasmitancias de los elementos del hueco de fachada

UH= 1.00*0.806+1.90*0.113+1.90*0.080= 3.17 W/m2K < 4.3 W/m2K CUMPLE ✓ Cálculo del puente térmico (invierno) En los casos anteriores podríamos haber calculado, gracias a las trasmitancias térmicas obtenidas, la trasmitancia total del puente térmico. Pero no siendo secciones definidas como puentes térmicos, escogeremos el paso de forjado como tal, pudiendo posteriormente comparar el valor obtenido con el valor de Lider.

Previamente, necesitaríamos calcular el valor de la U, el cual ya hemos calculado para el cerramiento (UM). Recordemos: UM= 0.43 W/m2K Para calcular la trasmitancia total de puente térmico utilizaremos el siguiente procedimiento: ψ=ɸ/ΔT-∑U·b siendo: 99

Elaboración propia

56

Rehabilitación energética mediante fachadas ventiladas con materiales de cambio de fase (PCM) | Aitor Guijarro Belda | Julio 2016

ψ: la trasmitancia térmica total del puente térmico (W/m) ɸ: la cantidad de calor que atraviesa (Heat flow) (W) ΔT: La diferencia de temperatura, también obtenida en la casilla ºC delta (ºC) ∑U= la trasmitancia térmica del cerramiento (W/m2K) b= la longitud total (m) Los datos necesarios los encontramos a continuación, utilizando los datos de invierno debido la indiferencia de la época del año.

Imagen 50100: Simulaciones por isotermas y código de colores con datos asociados en invierno

ψ=ɸ/ΔT-∑U·b=

0.97-0.748 = 0.222 W/m

Comparando con los valores que trae por defecto Lider, el más semejante es de 0.17 W/m.

La relación entre ambos valores no debería sobrepasar el 3%, para favorecer una integración adecuada entre programas.

100

Elaboración propia a través de Therm

57

Rehabilitación energética mediante fachadas ventiladas con materiales de cambio de fase (PCM) | Aitor Guijarro Belda | Julio 2016

Obviamente esto no se consigue pero, sabiendo que Lider permite modificar esos valores, ese porcentaje puede reducirse a 0. De igual modo, Lider requiere la definición de 8 puentes térmicos, todos ajenos al tratamiento de este trabajo de fin de grado centrado en las fachadas. En consecuencia, el planteamiento inicial de escoger los puentes térmicos de Lider mediante extrapolación parece adecuado.

5.5. Estudio termográfico Debido al propio carácter de este trabajo, las termografías solo se han podido llevar a cabo en época estival, concretamente el 29 de junio de 2016 entre las 16:00 y las 18:00, dejando a interpretaciones la época invernal. Esta toma de datos se ha realizado gracias al tutor Víctor Echarri Iribarren, junto con el departamento de construcciones arquitectónicas, el cual nos ha permitido el uso de la cámara especializada101.

La termografía se basa en la ley de Wien102, según la cual la longitud de onda de la radiación emitida por un cuerpo en inversamente proporcional a su temperatura; esto quiere decir que la cámara detecta la radiación infrarroja del objeto y calcula la temperatura superficial del mismo en ese punto. Cabe mencionar que la cámara detecta una superposición de radiaciones directas, difusas y reflejadas, por lo que en materiales reflectantes como el vidrio puede dar impresiones erróneas.

En resumen, obtendremos una imagen ''mapeada'' del cerramiento sobre la que se indica la temperatura de los materiales con un gradiente de colores.

En fachadas, puede ser indicativo de puntos con pérdidas de aire, falta de aislante o defecto energético que a simple vista no podríamos identificar.

Por supuesto son mediciones cualitativas y no cuantitativas, ya que la precisión de las mismas no es elevada, y solo sirve para hacernos una idea del funcionamiento de la fachada u objeto; estas mediciones deberían completarse con estudios más precisos que puedan estudiar puntos concretos de la fachada y no estén afectados por radiaciones difusas y/o reflejadas.

A continuación vamos a ver algunas de las fotografías termográficas más relevantes tomadas del edificio, tanto interiores como exteriores, dejando para el anejo IV: fotografías in situ el resto de imágenes; de esta forma podemos comprobar el potencial de estos instrumentos.

101

Cámara FLIR P-25 Como consecuencia, cuanta mayor sea la temperatura de un cuerpo negro, menor es la longitud de onda en la cual emite. λ=(0.0028976m·K)/T 102

58

Rehabilitación energética mediante fachadas ventiladas con materiales de cambio de fase (PCM) | Aitor Guijarro Belda | Julio 2016

Imagen 51 y 52103: Fachada con orientación este

En las imágenes vemos como la zona más oscura se encuentra a una temperatura mayor a pesar de ser ambos (zona clara y zona oscura) del mismo material pétreo. Este demuestra la influencia del color de los materiales en relación a la acumulación de calor. Debemos tener en cuenta que en el momento de las termografías el Sol ya no incide sobre la fachada, por lo que podemos otorgarle algo más de importancia a las tonalidades observadas.

También observamos como las persianas oscuras tienen una temperatura elevada, por lo que ha primado la composición ''artística'' de la fachada por encima de del confort térmico.

Por último, mencionar que se aprecia un comportamiento bastante adecuado de la fachada a pesar del contrapunto del color, y es que, no se aprecian puentes térmicos en forjados ni encuentros de carpintería. Ya mencionábamos el buen funcionamiento de las carpinterías y vidrios en este edificio; a pesar de ello, podemos ver la siguiente termografía interior, donde comprobaremos algunas diferencias más notables.

103

Elaboración propia

59

Rehabilitación energética mediante fachadas ventiladas con materiales de cambio de fase (PCM) | Aitor Guijarro Belda | Julio 2016

Imagen 53 y 54104: Detalle interior de la esquina

Observamos un correcto comportamiento del cerramiento exterior en la parte interior, pero encontramos, obviamente, diferencias más notables en el hueco; las persianas y cortinas estaban retiradas en el momento de la medición, por lo que confirmamos una ejecución positiva del conjunto de la fachada.

A pesar de ello, las mediciones superficiales de temperatura y del aire, denotaban un exceso de temperatura por encima de la que consideraríamos de confort. Con 28.6 ºC en la carpintería, 29.2 ºC en el vidrio y 28.2 ºC del aire; este tema se tratara mejor en el apartado siguiente ''5.6. Confort térmico interior''.

Con estas temperaturas y estas termografías, podemos predecir el buen funcionamiento del cerramiento integrando en él los PCM.

104

60

Elaboración propia

Rehabilitación energética mediante fachadas ventiladas con materiales de cambio de fase (PCM) | Aitor Guijarro Belda | Julio 2016

5.6. Confort térmico interior En el apartado ''5.1. Condiciones de confort'' ya mencionábamos la subjetividad con la que deberíamos tratar los datos correspondientes la temperatura, humedad, etc., pero tratábamos de objetivarlos dentro de unas pautas e intervalos. Es necesario recordar esos aspectos para poder entender en qué punto nos vamos a encontrar al realizar la toma de datos del edificio.

Al igual que el apartado anterior, la toma de datos tuvo lugar el 29 de junio de 2016 entre las 16:00 y las 18:00, teniendo una temperatura exterior de 27.7 ºC, 54% de humedad y una velocidad del aire de entre 0,9 m/s y 0,4 m/s. Las viviendas tienen dos estancias cada una dando a fachada, teniéndolas normalmente conectadas de forma diáfana; debido a esto, las mediciones se realizaron en una sola de estas estancias, entendiendo que era suficiente y extrapolable.

Interior

Exterior

Humedad

52.6 %

54 %

Temperatura

30.1 ºC

27.7 ºC

-

0.9 m/s

80 %

-

16.8 ºC

-

5 m/s

-

Velocidad aire Humedad impulsión AC Temperatura impulsión AC Velocidad impulsión AC

Tabla 26105: Toma de datos

Los datos tomados se han comparado sin

y

con

aire

acondicionado,

obteniendo temperaturas de confort rápidamente con su uso; esto hace pensar que la aplicación de PCM junto con estos sistemas activos, generaría un ambiente de confort ideal, reduciendo los sistemas activos y por tanto su consumo (teóricamente 40 % menos).

Imagen 55106: Sección del hueco con toma de datos 105 106

Elaboración propia Elaboración propia

61

Rehabilitación energética mediante fachadas ventiladas con materiales de cambio de fase (PCM) | Aitor Guijarro Belda | Julio 2016

Estos datos son ideales para introducirlos en programas de simulación como design builder, que necesita datos reales para realizar sus cálculos. Para los programas escogidos para este trabajo, los datos escogidos son los datos medios o característicos de Alicante o los ideales del confort térmico, debido al tratamiento teórico de los PCM en el edificio de estudio.

Para finalizar la toma de datos, se intento constatar la trasmitancia térmica del cerramiento de fachada mediante un instrumento que consta de un receptor interior, otro interior y el aparato que interpreta los datos. Requiere de tres sondas en triángulo fijadas con masillas con su correspondiente ''boya'' de medición exterior.

Imagen 56107: Instrumentos de medición

El problema residen en no tener demasiada diferencia de temperatura exterior-interior para que el aparato pueda realizar esta comprobación, por lo que damos como validos los datos de trasmitancia usados a través del CTE.

Imagen 57108: Situación de la toma de datos 107 108

62

Elaboración propia Elaboración propia

Rehabilitación energética mediante fachadas ventiladas con materiales de cambio de fase (PCM) | Aitor Guijarro Belda | Julio 2016

5.7. Conclusiones Encontrarnos frente a un edificio coetáneo al nacimiento del CTE favorece la interpretación y el juicio de los datos de la simulación, al igual que definir unas condiciones de confort objetivas, ayuda a la introducción de datos en estos programas. No obstante no superan las pruebas simuladas, por lo que no podemos hablar de un comportamiento óptimo del edificio; cabe mencionar que por muy poco, acercándonos, por tanto, a un muy buen comportamiento.

Previamente a las simulaciones hemos definido el edificio, y las carpinterías correderas, que no garantizan una total estanqueidad, no se tienen en cuenta en los procesos de los programas; o al menos no queda constancia de ello.

También, a la hora de definir los puentes térmicos, se han generado de forma lo más similar a la realidad y extrapolando datos, dejando el cálculo real fuera del trabajo por deslocalizarse del tema a tratar. Las termografías frente a esto, se quedan como algo anecdótico que sirve para completar el estudio general del edificio, como verificación de las simulaciones y como forma de completar nuestra propia formación académica.

Con la toma de datos del aire interior pasa algo similar a lo anterior, pero con en menor medida debido a su precisión; con ellos si podemos trabajar mejor las simulaciones y verificar mejor la sección tipo.

Centrándonos en las simulaciones, todas presentan problemas e incongruencias, siendo el programa Lider el más frustrante de todos.

Lider Ya son conocidos los problemas del software, no solo en interfaz y utilización, también en la definición geométrica. A éstos, podemos añadir la falta de definición en vidrios, cámaras y carpinterías; en ningún momento hemos podido dotar de alguna característica las dos cámaras modeladas. El hecho de no poder realizar esta sencilla labor da muestras del poco interés que muestra este tipo de programas por el verdadero confort, quedándose simplemente en el cumplimiento de unos números. y sin cualificar nada más.

También, los problemas a la hora de obtener los datos y sus impedimentos, amén de la verificación manual de la norma comparando los datos obtenidos. Hemos visto como el pdf obtenido resalta valores en proporción o porcentaje, dejando al usuario la comparativa con la propia norma, así como el cálculo final. Ya hemos mencionado, y es cierto, que la versión unificada resuelve estos problemas, pero minimizando la cantidad de datos proporcionados.

63

Rehabilitación energética mediante fachadas ventiladas con materiales de cambio de fase (PCM) | Aitor Guijarro Belda | Julio 2016

Calener Calener, por supuesto, arrastra los problemas de Lider, pero obviando esto, trabaja bastante mejor. Tal vez uno de sus inconvenientes sea la rigidez de sus equipos y sistemas, pero por el resto no es tan decepcionante.

En aspectos más resolutivos, tiene problemas mayores. Al igual que Lider es necesaria la comprobación manual de los datos, utilizando la norma como apoyo de cálculo. También, la incoherencia en sus unidades induce a error; el más llamativo es la nomenclatura en kWh/m2 cuando en realidad son kWh/m2año, y hasta que no calculas ese valor por ti mismo, no entiendes el origen de esos números.

Therm El mejor de los tres sin duda alguna; tal vez porque es algo complicado verificar los datos como en los dos anteriores, pero genera mayores garantías solo con su uso e interfaz. En principio el programa ofrece lo que promete, pero es algo engorroso no ver completar esa oferta con el cálculo de las resistencias, las trasmitancias en cerramientos y huecos o la trasmitancia total del puente térmico. Son aspectos que también requieren de nuestro propio esfuerzo para lograrlos, favoreciendo así, la mejor interpretación y entendimiento del programa.

Esperamos que el resto de simulaciones con PCM sean más favorables, aunque con estas primeras impresiones, no auguramos buenas críticas.

Por último, ambos programas del ministerio muestran el no cumplimiento del edificio, muy poco en Lider, y con mala calificación en Calener; esto muestra las carencias ya nombradas que, comparadas con el sí cumplimiento de Therm, hace más asombroso el funcionamiento de estos programas. Ante todo, recordar siempre que eso es lo que son, simulaciones.

64

Rehabilitación energética mediante fachadas ventiladas con materiales de cambio de fase (PCM) | Aitor Guijarro Belda | Julio 2016

PARTE 3: Diseño

6. DISEÑO DEL CERRAMIENTO Como punto y final a este trabajo, realizaremos una pequeña propuesta de diseño y aplicación de los PCM en el edificio de estudio, simulando como anteriormente, y comparando con los porcentajes reductores que las propias marcas comerciales ofrecen.

6.1. Propuesta de diseño El apartado 4.7. Datos empíricos, daba información recopilada en diferentes situaciones del mundo, albergando posibilidades diversas sobre la colocación y utilización de los PCM; estudiándolos y comparándolos con la situación de nuestro edificio, la elección parte de un uso de parafinas microencapsuladas colocadas en la cara interior del cerramiento de 15 mm de espesor, pareciendo lo más favorable y similar a nuestra ubicación.

Densidad

T. de fusión

C. específico

C. latente

C. térmica

(Kg/m3)

(ºC)

(kJ/kgK)

(J/g)

(W/mK)

980

26

3.26

45

0.196

Emisividad

0.9

109

Tabla 27 : Propiedades del PCM escogido para el diseño

Los datos recogidos hablan de un almacenamiento teórico, y por tanto un mejor uso del calor latente del: 90-95 % en colocación interior del PCM

10-15 % en colocación exterior del PCM

Imagen 58110: Almacenamiento teórico según la posición del PCM

En cuanto al confort se esperan de 2 a 3 ºC de diferencia, y un 40% menos de consumo.

La solución constructiva se genera a partir del funcionamiento de los casos reales e investigaciones estudiadas, planteando un funcionamiento teórico posteriormente explicado. De esta forma se debe sustituir la fachada exterior por una ventilada generando el mismo aspecto; en el interior se coloca el PCM entre el ladrillo hueco doble y la placa de yeso, sin apenas necesitar obras dentro de cada vivienda, y con un tiempo bastante reducido. El diseño no solo trata aspectos propios del PCM, también se recuerdan las cartas solares y los recursos bioclimáticos para llevarlo a cabo.

109

Elaboración propia Fuente: OLIVER-RAMÍREZ, A., 2010, Caracterización física y mecánica de placas de yeso con materiales de cambio de fase incorporados para almacenamiento de energía térmica mediante calor latente 110

65

Rehabilitación energética mediante fachadas ventiladas con materiales de cambio de fase (PCM) | Aitor Guijarro Belda | Julio 2016

Exterior Pétreo natural

30 mm

Cámara de aire

50 mm

Ladrillo cerámico hueco doble

90 mm

Aislamiento térmico PUR

50 mm

Ladrillo cerámico hueco doble

90 mm

Parafina microencapsulada

15 mm

Placa de yeso laminado

15 mm

Carpinterías

PVC

Vidrios

triples

Imagen 59111 y Tabla 28112: Sección tipo con PCM y espesores

Interior

En un primer momento se planteó sustituir la placa de yeso laminado por un composite de PYL+PCM, abogando por lo porcentajes teóricos de referencia de 55% yeso y 45% PCM. A pesar de ser una práctica aconsejable en rehabilitación energética a través del interior, se descartó por no haber datos fiables y fijos. La mayoría de datos provienen de ensayos en laboratorios, con poca información sobre las características del PCM, y más aun sobre el composite. El encontrar una casa comercial que facilite estos datos podría variar este diseño posteriormente.

6.2. Funcionamiento teórico Hemos mencionado la incorporación de una cámara de aire ventilada en la fachada, la cual es necesaria para poder controlar el calor del propio cerramiento en verano, siendo más desfavorable su implantación para el invierno; poco más adelante trataremos mejor este tema. La situación interior del PCM hace que el aislante térmico controle la temperatura exterior, favoreciendo el almacenamiento por radiación. Por el interior controlaría que el calor expulsado por el PCM fluyese mucho más hacia el interior, teniendo que controlar este hecho en verano.

En invierno, el edificio debería trabajar como hasta ahora gracias al aislante, sin tener mucho protagonismo el PCM durante el día.

Imagen 60113: Sección del cerramiento opaco de la fachada 111

Elaboración propia Elaboración propia 113 Elaboración propia 112

66

Rehabilitación energética mediante fachadas ventiladas con materiales de cambio de fase (PCM) | Aitor Guijarro Belda | Julio 2016

Funcionamiento en invierno

Imagen 61114: Simplificación del funcionamiento de la fachada con PCM en invierno

Durante el día este sistema es menos eficiente que durante el resto de épocas y periodos, puesto que durante la noche ha almacenado frío (o calor a menor temperatura que durante el día). Por contra, la radiación captada por el cerramiento favorece la absorción de calor para el periodo nocturno. En este punto podemos recordar uno de los edificios estudiados, el cual utilizaba el efecto invernadero de su fachada ventilada con vidrios para lograr un mayor confort interior. En nuestra situación, lo más aconsejable sería cerrar la cámara para tratar de conseguir ese efecto en la medida de los posible, y así crear un colchón de aire.

Durante la noche el calor acumulado durante el día calentará la estancia. Si bien sabemos, el calor se dirige hacia la parte más fría, por lo que el aislante juega un papel fundamental para el control de la liberación del calor; tenderá a ir hacia el exterior, pero el PUR contendrá el calor y hará que circule hacia el interior.

Este periodo sería el más favorable para el uso de PCM por su propiedad fundamental de almacenamiento y difusión de calor.

114

Elaboración propia

67

Rehabilitación energética mediante fachadas ventiladas con materiales de cambio de fase (PCM) | Aitor Guijarro Belda | Julio 2016

Funcionamiento en verano

Imagen 62115: Simplificación del funcionamiento de la fachada con PCM en verano

Durante el día, cederá el calor almacenado por la noche, pero obviamente será una temperatura menor, de manera que podemos entenderlo como una forma de refrigeración pasiva que regula la temperatura del muro. Recordemos que el edificio dispone de refrigeración activa, la cual ayudaría para compensar las cargas térmicas por renovación de aire, luz directa y trasmitancias. También el aislante térmico jugaría su actual papel con normalidad.

Durante la noche podemos encontrarnos dos situaciones; que haga más temperatura en el exterior, y por tanto el PCM libere calor hacia el interior. En este punto la refrigeración activa es necesaria, siempre y cuando se sobrepase la temperatura de confort objetiva. La segunda posibilidad sería al contrario, mayor temperatura interior y trasmisión de calor por parte del PCM hacia el exterior; si la temperatura interior es elevada, existe la posibilidad de la refrigeración activa.

Parece indispensable el uso de la refrigeración activa, desmejorando un poco el uso del PCM; pero de ninguna manera es así, puesto que, incluso usando estos sistemas, la reducción del consumo es notable.

115

68

Elaboración propia

Rehabilitación energética mediante fachadas ventiladas con materiales de cambio de fase (PCM) | Aitor Guijarro Belda | Julio 2016

6.3. Caso de aplicación En apartados anteriores hablábamos de la fácil colocación del nuevo sistema para la fachada, haciendo alusión a los pocos residuos generados y a la rapidez de montaje. Esta rehabilitación se debe hacer tanto por el exterior como por el interior.

El lugar escogido sería la única fachada al completo, dejando la actual planta baja de locales comerciales sin actuación. A pesar de realizar esta rehabilitación, queremos que sea lo menos perceptible posible, por lo que la apariencia final lograda será la misma que la actual.

A pesar de realizar obra y poder añadir elementos de sombra para favorecer las simulaciones, recordemos que el apartado refrigeración de Lider no se cumplía por poco, y la introducción de los vidrios reales era algo más costoso; además de interferir en la premisa de mantener el aspecto primigenio.

Imagen 63116: Imagen real del edificio de estudio; única fachada 116

Fuente propia

69

Rehabilitación energética mediante fachadas ventiladas con materiales de cambio de fase (PCM) | Aitor Guijarro Belda | Julio 2016

Imagen 64117: Preparación para el montaje.

117

70

Elaboración propia

RehabilitaciĂłn energĂŠtica mediante fachadas ventiladas con materiales de cambio de fase (PCM) | Aitor Guijarro Belda | Julio 2016

Imagen 65118: Montaje fase 1

118

ElaboraciĂłn propia

71

RehabilitaciĂłn energĂŠtica mediante fachadas ventiladas con materiales de cambio de fase (PCM) | Aitor Guijarro Belda | Julio 2016

Imagen 66119: Montaje fase 2

119

72

ElaboraciĂłn propia

RehabilitaciĂłn energĂŠtica mediante fachadas ventiladas con materiales de cambio de fase (PCM) | Aitor Guijarro Belda | Julio 2016

Imagen 67120: Montaje fase 3

120

ElaboraciĂłn propia

73

RehabilitaciĂłn energĂŠtica mediante fachadas ventiladas con materiales de cambio de fase (PCM) | Aitor Guijarro Belda | Julio 2016

Imagen 68121: Montaje fase 4

121

74

ElaboraciĂłn propia

RehabilitaciĂłn energĂŠtica mediante fachadas ventiladas con materiales de cambio de fase (PCM) | Aitor Guijarro Belda | Julio 2016

Imagen 69122: Montaje fase 5

122

ElaboraciĂłn propia

75

RehabilitaciĂłn energĂŠtica mediante fachadas ventiladas con materiales de cambio de fase (PCM) | Aitor Guijarro Belda | Julio 2016

Imagen 70123: Montaje fase 6

123

76

ElaboraciĂłn propia

Rehabilitación energética mediante fachadas ventiladas con materiales de cambio de fase (PCM) | Aitor Guijarro Belda | Julio 2016

El recrecido exterior es de 50 mm, el cual, obviamente, proviene de la cámara de aire; sin entrar en mucho detalle, este sería el espesor ideal para ventilar la cámara de la forma óptima. A pesar de generar una apariencia lo más fidedigna posible, la protección del dintel se realiza con unas piezas pétreas agujereadas a la altura de la cámara.

El recrecido interior se da a los 15 mm de espesor del PCM; la elección de este espesor se debe a dos factores: - Por las obras estudiadas, cuyo espesor redondeaba y aplicaba de forma adecuada a nuestro propio edificio.

- A la sustitución de la capa de PYL de 15 mm por el PCM, por lo que sería más sencillo la colocación del nuevo material.

El

mayor

problema

proviene

del

desajuste de la carpintería con la nueva protección

interior,

por

lo

que

la

colocación de un junquillo perimetral alrededor de la carpintería parece los más adecuado para lograr una apariencia con mejor acabado.

En cuanto al suelo y al techo una simple modificación en ellos, o el apoyo en sus cara

interiores

resolvería

el

nuevo

encuentro.

Imagen 71124: Sección constructiva de la fachada con PCM por el hueco 124

Elaboración propia

77

Rehabilitación energética mediante fachadas ventiladas con materiales de cambio de fase (PCM) | Aitor Guijarro Belda | Julio 2016

Código

Elemento Cerramiento

E01

exterior

Material

Función

Espesor (mm)

Pétreo natural

Acabado exterior

20

E02

Mortero

Hormigón

Agarre

10

E03

Aislamiento térmico

Poliuretano

Envolvente térmica

50

Ladrillo hueco

E04

doble Placa de yeso

E05

laminado Aislamiento

E06

Pavimento/

E07

protección

Cerámico

Yeso

Lana de roca

Formación cerramiento Acabado interior Envolvente térmicoacústica interior

90

15

20 a 50

Madera

Acabado interior

20

E09

Forjado

Hormigón armado

Estructura

300

E13

Cámara de aire

Aire

Ventilación

50-170

E14

Anclaje

Aluminio

E15

PCM

Parafina

E16

Alfeizar

Pétreo natural

E17

Junquillo

PVC

E18

Dintel

Hormigón armado

E19

Registro de persiana

E20 E21

Sustentación Acabado exterior Almacenamiento de energía Acabado del hueco Remate perimetral interior Sustentación del hueco

PVC + lana de

Almacenamiento

roca

persiana

Carpintería RPT

PVC

Sustentación vidrios

Vidrios triples

Sílice

Cerramiento del hueco

-

15 20 15

140x200

200x200 5/9/5/9/5

Tabla 29125: Composición de las capas del cerramiento con hueco de la fachada

6.4. Simulaciones de diseño Al igual que el apartado 5.4. Simulaciones estado actual, hemos utilizado los mismos softwares para realizar nuevas simulaciones añadiendo el PCM. De esta forma queremos comprobar su uso frente a la normativa actual, y cuál sería su efecto como material TES. También comprar los datos de las simulaciones anteriores con las siguientes.

Al contrario que el apartado mencionado, no disponemos de edificios con PCM al alcance para poder realizar mediciones in situ y comparar los datos.

Las siguientes simulaciones podemos encontrarlas completas en el Anejo III. 125

78

Elaboración propia

Rehabilitación energética mediante fachadas ventiladas con materiales de cambio de fase (PCM) | Aitor Guijarro Belda | Julio 2016

LIDER La labor de diseño e introducción de datos se realiza del mismo modo, utilizando los mismos datos con la diferencia, obviamente, de la introducción del material PCM.

Las secciones tipo introducidas siguen siendo las mismas, pero cambia el cerramiento de fachada con la cámara de aire exterior y el PCM interior, como podemos ver a continuación.

Imagen 72126: Sección tipo de la fachada con PCM

C. térmica

Espesor

(U=W/mK)

(mm)

2.800

20

Código

Elemento

Material

Función

E01

Cerramiento exterior

Pétreo natural

Acabado exterior

E02

Mortero

Hormigón

Agarre

E03

Aislamiento térmico

Poliuretano

Envolvente térmica

0.030

50

E04

Ladrillo hueco doble

Cerámico

Formación cerramiento

0.432

90

Yeso

Acabado interior

0.250

15

Ventilación

-

50-170

0.196

15

E05

Placa de yeso laminado

E13

Cámara de aire

Aire

E15

PCM

Parafina

Almacenamiento de energía

10

Tabla 30127: Composición del cerramiento tipo con trasmitancias térmicas correspondientes

Por último, tratar de definir la posición de cada puente térmico; observar los datos, entenderlos e interpretarlos.

126 127

Elaboración propia Elaboración propia

79

Rehabilitación energética mediante fachadas ventiladas con materiales de cambio de fase (PCM) | Aitor Guijarro Belda | Julio 2016

Imagen 73128: Resultado final del programa Lider (con PCM)

Como podemos observar, los datos han mejorado en cuanto a calefacción (-2.7 %) pero han empeorado frente a refrigeración (+17.6 %). Estos es así debido al tratamiento del PCM como parte del aislante por parte del programa. También mencionábamos la labor de los vidrios dentro de la refrigeración, los cuales no varían y por tanto no podemos mejorar.

Recordemos que Alicante se sitúa en una zona climática B4, la cual determina, según el HE-1, una demanda límite de 15 KWh/m2año para calefacción (B), y una demanda límite de 20 KWh/m2año para refrigeración (4).

El 30.2% de la demanda de referencia en calefacción hace alusión a los 4.53 KWh/m2 año que requiere el edificio, por lo que está 2/3 por debajo de la norma y por tanto cumpliríamos.

El 140.8% de la demanda de referencia en refrigeración hace alusión a los 28.16 KWh/m2 año que requiere el edificio, por lo que está por encima de la norma y por tanto no cumpliríamos.

Por último, la proporción relativa de calefacción refrigeración solo ayuda a verificar aquello que estas calculando, siendo lógico tener una mayor demanda de refrigeración atendiendo a la zona climática (B4) en la que nos encontramos.

Es de especial mención, que la propiedad fundamental de los PCM, el calor latente, no aparece como propiedad a la hora de crear un nuevo material. Este hecho, da luz sobre el entendimiento de los datos obtenidos; el no realizar la simulación con ella, aplica sobre su conductividad térmica todo el peso de la simulación.

128

80

Elaboración propia a través de Lider

Rehabilitación energética mediante fachadas ventiladas con materiales de cambio de fase (PCM) | Aitor Guijarro Belda | Julio 2016

CALENER En la simulación previa de Calener, requeríamos el consumo anual real, el cual comparábamos con el consumo obtenido en el programa. Ahora realizaremos el mismo procedimiento añadiendo PCM, y volviendo a comparar los datos reales con los de esta simulación. Siendo más exhaustivos, podemos comprar ambas simulaciones también, y, al no disponer del facturas reales con PCM, hacer una estimación teórica del ahorro energético que podríamos conseguir; ya mencionábamos este hecho, el cual abogaba por un 40 % menos de consumo energético.

Imagen 74129: Resultados finales del programa Calener (sin PCM) 129

Elaboración propia a través de Calener

81

Rehabilitación energética mediante fachadas ventiladas con materiales de cambio de fase (PCM) | Aitor Guijarro Belda | Julio 2016

Con respecto a la anterior simulación vemos como se ha mejorado ligeramente (0.1 kWh/m2año) la demanda de calefacción del edificio objeto. Esto hace referencia a la anterior simulación de Lider en la que, al igual que esta, utiliza solo la conductividad térmica como propiedad principal para la simulación.

Por último, compararemos numéricamente el consumo de la factura del edificio con los datos de Calener, de forma que podamos darle un voto de confianza a la simulación.

Bimensualidad

Consumo

Calener Referencia

Calener Objeto

Sumatorio

4944 kWh/año

-

-

Iluminación 10%

-494.4 kWh/año

-

-

-

-

≈-1000 kWh/año

Cocina (5kWh)

3449.6 kWh/m2año

Total 1 vivienda

2

62092.8 kWh/m año

Total edificio (18 viv.)

-

2

145652.7 kWh/m año

104535.4 kWh/m2año

Tabla 31130: Comparativa de consumos reales y simulación

Volvemos a observar ciertos desajustes de casi el doble entre la simulación y la realidad; si aplicamos el porcentaje reductor del 40 % de ahorro teórico obtendríamos.

Factura real

Calener sin PCM

Calener con PCM

Consumo (kWh/m2año)

62092.8

104795.4

104535.4

Consumo reducido 40% (kWh/m2año)

47.100

62877.24

-

Tabla 32131: Comparativa de consumos reales y simulación con la reducción teórica de adición de PCM

Volvemos a apreciar esa no utilización del calor latente pero esta vez por medio del consumo. A pesar de no ser datos fiables por las descompensación entre la factura y Calener sin PCM, la simulación que si lo incorpora debería dar un consumo en torno a los 60000 kWh/m2año. Por contra da un valor muy similar que se atañe a la conductividad térmica de 0,196 W/mK del PCM. Ambos programas del ministerio no tienen la posibilidad de añadir el calor latente como propiedad a la hora de introducir un nuevo material desde cero, quedándose solamente en la densidad, calor específico y conductividad térmica; este último como el más importante debido al comportamiento de los programas, como necesidad imperante de aislamiento frente a cualquier otra circunstancia, llegando incluso, a generar datos dispares e incoherentes en sus resultados.

130 131

82

Elaboración propia Elaboración propia

Rehabilitación energética mediante fachadas ventiladas con materiales de cambio de fase (PCM) | Aitor Guijarro Belda | Julio 2016

THERM El paso previo de introducción de temperaturas lo seguimos manteniendo como en la anterior simulación, al igual que el resto de datos, con excepción del PCM. - Invierno: Text=6.3 ºC ; Tint=20.9 ºC - Verano: Text=30.8 ºC ; Tint=26 ºC

Imagen 75132: Simulaciones por isotermas y código de colores con datos asociados en invierno

Vemos como mejoramos con respecto a la anterior simulación, pero reiteramos el hecho de que este programa, al igual que los anteriores, siguen aplicando la conductividad térmica como propiedad fundamental en sus cálculos; el PCM no tiene una baja conductividad

132

Elaboración propia a través de Therm

83

Rehabilitación energética mediante fachadas ventiladas con materiales de cambio de fase (PCM) | Aitor Guijarro Belda | Julio 2016

térmica, pero tampoco es muy elevada, por lo que se entienden estos datos al introducirlo en el cálculo.

Imagen 76133: Simulaciones por isotermas y código de colores con datos asociados en verano

El efecto de la cámara de aire también se aprecia en los propios diagramas de colores, favoreciendo el trabajo del aislante térmico y complementando el efecto del PCM como aislante.

Recordando el apartado 2.5. Aplicación del CTE, DB-HE, calcularemos la transmitancia térmica de nuestro cerramiento y nuestro hueco, comparándolos con los valores límite y obteniendo el cumplimiento o no. Con estos datos también podremos obtener el valor del 133

84

Elaboración propia a través de Therm

Rehabilitación energética mediante fachadas ventiladas con materiales de cambio de fase (PCM) | Aitor Guijarro Belda | Julio 2016

puente térmico pudiendo, también, compararlo con el valor del puente térmico en Lider y Calener.

UMLIM=0.82 W/m2K UHLIM=4.3W/m2K Cálculo de la trasmitancia en el cerramiento Al igual que en la simulación sin PCM, se realiza el mismo calculo añadiendo la capa de PCM en la fórmula.

Rse=0.13 Rsi=0.04 Rt=Rse+R1+R2...RN...+Rsi= 0.13+

+

+

+

+

+

+0.04= 2.39 m2K/W

UM= 1/Rt= 1/2.39= 0.418 W/m2K < 0.82 W/m2K CUMPLE ✓ Cálculo de la trasmitancia en el hueco En este caso, el resultado sería el mismo que en la simulación sin PCM, por lo que simplemente recordaremos el resultado obtenido: UH= 1.00*0.806+1.90*0.113+1.90*0.080= 3.17 W/m2K < 4.3 W/m2K CUMPLE ✓ Cálculo del puente térmico (invierno) Previamente, necesitaríamos calcular el valor de la U, el cual ya hemos calculado para el cerramiento (UM). Recordemos: UM= 0.418 W/m2K Para calcular la trasmitancia total de puente térmico utilizaremos el siguiente procedimiento: ψ=ɸ/ΔT-∑U·b siendo: ψ: la trasmitancia térmica total del puente térmico (W/m) ɸ: la cantidad de calor que atraviesa (Heat flow) (W) ΔT: La diferencia de temperatura, también obtenida en la casilla ºC delta (ºC) ∑U= la trasmitancia térmica del cerramiento (W/m2K)

85

Rehabilitación energética mediante fachadas ventiladas con materiales de cambio de fase (PCM) | Aitor Guijarro Belda | Julio 2016

b= la longitud total (m) Los datos necesarios los encontramos a continuación, utilizando los datos de invierno debido la indiferencia de la época del año.

Imagen 77134: Simulaciones por isotermas y código de colores con datos asociados en invierno

ψ=ɸ/ΔT-∑U·b=

0.945-0.727 = 0.218 W/m

Con respecto al anterior cálculo del puente térmico hemos mejorado un poco. El PCM se aplica para el interior de las viviendas, dejando el paso de forjado como se encontraba más una cámara ventilada; el cerramiento se completa con el PCM. Esto hace que la cantidad de calor atravesado sea menor, al igual que la trasmitancia; ambos han disminuido pero en proporciones diferentes, por lo que el puente térmico mejora teóricamente con respecto a las soluciones a su alrededor.

Es importante mencionar que el calor atravesado es menor no porque se almacene en el PCM, sino porque Therm, al igual que Lider y Calener, no utiliza el calor latente y si la conductividad térmica.

134

86

Elaboración propia a través de Therm

Rehabilitación energética mediante fachadas ventiladas con materiales de cambio de fase (PCM) | Aitor Guijarro Belda | Julio 2016

PCMexpress[4] Este es el único programa no utilizado anteriormente, obviamente por su implicación directa con el PCM. Es bastante actual, por lo que sus protocolos de cálculo no están muy conseguidos, como podremos observar. De igual forma, su introducción de datos para realizar la simulación es bastante limitado, hasta el punto de no poder introducir cerramientos ni materiales propios. La construcción del edificio en este programa se debe llevar a cabo escogiendo los cerramientos de una cantidad limitada de opciones, ninguna 100% extrapolable a nuestras secciones tipo. En cuanto a los vidrios y sistemas de refrigeración contamos con las mismas posibilidades que los cerramientos.

Tras introducir los escasos datos posibles y definir de forma muy simple la geometría, procedemos al cálculo.

Tabla 33135: Comparativa de temperatura ambiente sin y con PCM durante un año

Los resultados obtenidos no son para nada comparables a los datos que podemos recoger en investigaciones científicas o casos prácticos reales.

En primer lugar obtenemos una gráfica de la temperatura ambiente tanto sin PCM como con PCM en verano e invierno al mismo tiempo. Este último aspecto es desconcertante pero tras un momento de estudio de la grafica puedes llegar a obtener algún dato.

Las diferencias de temperaturas que hemos presentado en el apartado 4.7. Datos empíricos, rondaban entre el grado y los cinco grados de temperatura, aspecto que no aparece en esta gráfica. Prácticamente obtenemos los mismos resultados sin PCM que con PCM, al igual que ocurría con Lider, Calener y Therm. La diferencia reside en que estos programas no estaban diseñados para aplicar el calor latente y éste, en principio, si.

Profundizando en el programa, vemos como vuelve a usar la conductividad térmica como propiedad principal de simulación, siendo el calor latente un desaparecido. Si bien es 135

Elaboración propia a través de PCMexpress

87

Rehabilitación energética mediante fachadas ventiladas con materiales de cambio de fase (PCM) | Aitor Guijarro Belda | Julio 2016

cierto, probablemente se use en los procesos de cálculo, pero en ningún apartado aparece reflejado su valor y, por supuesto, no podemos modificarlo.

Tabla 34136: Cantidad de horas en zona de confort sin y con PCM

En la gráfica de barras observamos como la cantidad de horas en temperatura de confort anual es prácticamente la misma sin PCM que con PCM cuando, y volvemos a reiterarlo, el uso del PCM es muy beneficioso para lograr este fin.

Tabla 35137: Comparativa sin y con PCM a lo largo de un día (28 de diciembre)

Por último, el programa nos muestra el día más favorable con PCM, un 28 de diciembre.

Apreciamos un salto importante a horas tempranas de la mañana, pero el resto del día solo unas décimas por encima del cerramiento convencional avalan al PCM. El resto de días del año, no siendo los más favorables, podemos encontrar temperaturas iguales con su uso como sin él, por lo que pensamos que el calor latente no está implementado, o está mal implementado.

136 137

88

Elaboración propia a través de PCMexpress Elaboración propia a través de PCMexpress

Rehabilitación energética mediante fachadas ventiladas con materiales de cambio de fase (PCM) | Aitor Guijarro Belda | Julio 2016

7. CONCLUSIONES En primer lugar el diseño de la rehabilitación de la fachada no supone mayor esfuerzo, y con los datos de mejora de los PCM, parece totalmente factible. La obra sería sencilla, rápida y con pocos residuos. Su funcionamiento teórico lo avala, mientras que las simulaciones no tanto. Es un problema que no haya un programa que utilice la propiedad fundamental de los PCM, el calor latente, como una característica más de cálculo.

Entendemos que lo primordial actualmente es el aislamiento, hasta tal punto que el gobierno de España ha creado sus propios programas para cumplir, ''de forma sencilla'', con ese cometido. En la tabla siguiente podemos comparar los 3 materiales principales de de la fachada a través de algunas de sus propiedades. Vemos, también, cuáles de ellas se utilizan en los programas de simulación y cuáles no, entendiendo de una forma clara, por qué es tan ineficaz una simulación con PCM. Propiedad

PYL

PCM

PUR

Software

Densidad (kg/m3)

850

980

45

Lider/Calener

≈1500

26

290

-

1

3.26

1.4

Lider/Calener

-

45

-

¿PCMexpress?

0.25

0.196

0.03

Therm/Lider/Calener/PCMexpress

0.9

0.9

0.9

Therm

Temperatura de fusión (ºC) Calor específico (kJ/KgK) Calor latente (J/g) Conductividad térmica (W/mK) Emisividad

Tabla 36138: Comparativa entre propiedades principales y programas que las requieren

Como vemos, y ya hemos mencionado, la propiedad fundamental, el calor latente, no es usado por ninguno de los programas de simulación, teniendo algunas dudas con respecto al programa PCMexpress. También podemos ver la preocupación por aislar el edificio sin preocuparse de aprovechar la energía recibida (como sería el caso del PCM).

Si centramos el análisis en el programa Lider, el cual nos ofrece datos más cuantitativos, podemos obtener una tabla resumen como la que sigue:

138

Elaboración propia

89

Rehabilitación energética mediante fachadas ventiladas con materiales de cambio de fase (PCM) | Aitor Guijarro Belda | Julio 2016

Sin PCM

Con PCM

Calefacción

Refrigeración

Calefacción

Refrigeración

32.9

123.2

30.2

140.8

40.9

59.4

47.4

52.6

4.935

24.64

4.53

28.16

15

20

15

20

% de la demanda de referencia Proporción relativa calefacción - refrigeración Demanda del edifico objeto (kWh/m2año) Demanda límite (kWh/m2año)

Tabla 37139: Comparativa de simulación en Lider sin y con PCM

Dejando al margen la necesidad de proveerte de la normativa en el momento de calcular los resultados finales, vemos como la demanda de calefacción se reduce. El problema es que esa reducción no se produce por almacenamiento de energía en el PCM, si no porque utiliza su conductividad térmica como forma de aumentar el asilamiento. Por contra, esto revierte en una mayor refrigeración en verano.

Desde el punto de vista del consumo, la teoría dice que alrededor del 40% podemos llegar a ahorrarlo. Gracias a la factura anual del edificio estimada, podemos comprobar cuál debería ser el resultado final si aplicáramos el PCM. La simulación de Calener sin y con PCM puede arrojar luz al respecto.

Real 2

Calener 2

ΔT. Therm

ΔT. Therm

(kWh/m año)

(kWh/m año)

(invierno) (ºC)

(verano) (ºC)

62092.8

104795.4

14.7

4.8

47100

62877.24

16.0

6.0

-

104535.4

14.7

4.8

Sin PCM Estimación con PCM (-40%) Con PCM

Tabla 38140: Comparativas de consumo y temperaturas sin y con PCM, teniendo en cuenta el ahorro teórico.

Volvemos a ver lo repetido con anterioridad, una falta de adición e propiedades clave en este tipo de programas.

Por último, la previsión vista en los datos empíricos de control de temperatura entorno a 2 y 3 ºC tampoco se cumple. El programa Therm no prevé un cambio de variación de temperatura con el uso del PCM, cuando los estudios apuestan por ello.

En definitiva es bastante complicado cuantificar datos reales en casos concretos, y más si dependemos de aplicaciones informáticas que realicen simulaciones donde el calor latente no está presente. Parece extraño que en los tiempos que corren no dispongamos de una aplicación con semejantes características.

139 140

90

Elaboración propia Elaboración propia

Rehabilitación energética mediante fachadas ventiladas con materiales de cambio de fase (PCM) | Aitor Guijarro Belda | Julio 2016

Este trabajo comenzó como un estudio sobre los PCM y como su aplicación sería beneficioso para la vivienda de levante, pero ha acabado centrándose en el apartado informático de las simulaciones debido al sorprendente resultado que han llegado a aportar; gracias a este descubrimiento hemos tenido un estudio mucho más intenso, interesante y completo, y podemos hacer una crítica hasta ahora inédita hacia ellos.

Aparecen programas como DesignBuilder mucho más completos, pero fuera del alcance de este trabajo, pero que también generan dudas con respecto a su aplicación con PCM. También cabe recordar que los PCM aun siguen en fase de desarrollo e investigación, por lo que hasta dentro de algún tiempo no podemos esperar aplicaciones informáticas más potentes. Hasta ese momento debemos centrarnos en los ensayos científicos y en las pruebas de ensayo y error.

Como final, recordar que no hemos realizado un estudio económico de la propuesta que, a pesar de su sencillez aparente, puede generar un coste económico elevado para la comunidad, por lo que su viabilidad no está asegurada.

91

Rehabilitación energética mediante fachadas ventiladas con materiales de cambio de fase (PCM) | Aitor Guijarro Belda | Julio 2016

GLOSARIO 01

Morihei Ueshiba (1883-1969), fundador del arte marcial Aikido.

27

Isoterma: Propiedad por la cual la temperatura se mantiene constante pudiéndose

acumular y recuperar.

28

Exotérmico: proceso por el que se desprende energía.

29

Endotérmico: proceso que absorbe energía para llevarse a cabo el cambio de estado.

30

Entalpía: es la cantidad de energía que un sistema intercambia con su entorno.

41

Subenfriamiento o sobreenfriamiento: propiedad relacionada con la solidificación de los

materiales que da nombre a la elevada velocidad de reagrupación de los átomos del material cuando este se enfría.

56

GlassXcrystal: producido por Dörken; PCM compuesto de cloruro de calcio

esahidratado, transparente en estado líquido y traslucido en estado sólido.

59

Efecto Fresnel: controla cuán reflectivo es el material dependiendo del ángulo entre la

superficie normal y la dirección de observación.

[1]

LIDER: aplicación informática que se puede emplear para verificar, de forma temporal y

bajo ciertas condiciones técnicas, las exigencias de demanda energética establecidas en los apartados 2.2.1.1 y putno 2 del apartado 2.2.2.1 de la sección HE1 del DB-HE del CTE. [2]

Calener: aplicación informática para la determinación de la calificación de eficiencia

energética y sirve para generar el listado justificativo correspondiente a edificios de viviendas y edificios terciarios pequeños según la opción General prescrita en el REAL DECRETO 47/2007, de 19 de enero.

[3]

Therm: es un programa de cálculo de calor en 2 dimensiones en régimen estacionario por

lo que resulta especialmente útil para los cálculos de las características térmicas de los puentes térmicos de los edificios.

98

Teniendo en cuenta una orientación E/O y un porcentaje de huecos del 21 al 30%.

102

Como consecuencia, cuanta mayor sea la temperatura de un cuerpo negro, menor es la

longitud de onda en la cual emite. λ=(0.0028976m·K)/T. [4]

PCMexpress: es un programa que permite calcular datos relevantes de confort, eficiencia

energética o datos climáticos a través de la simulación del edificio con la mejora de los materiales PCM. 92

Rehabilitación energética mediante fachadas ventiladas con materiales de cambio de fase (PCM) | Aitor Guijarro Belda | Julio 2016

BIBLIOGRAFÍA McDONOUGH, W. The Hannover Principles: Design for Sustainibility. William McDonough Architects. Nueva York, 1992.

ROGERS, Richard; GUMUCHDJIAN, Philip. Ciudades para un pequeño planeta. Gustavo Gili. Barcelona, 2000. Versión castellana de Miguel Izquierdo y Carlos Sáenz del original Cities for a smalll planet. Faber & Faber Limited, London, 1997.

BAER, Steve. More sun spots: A collection of thoughts about solar energy. Baer Trial and Error, 2012.

CUCHÍ, Albert. Las Claves de la Sostenibilidad, en SOLANAS, Toni (coord.).

Vivienda y Sostenibilidad en España, vol. I. Gustavo Gili. Barcelona, 2007, pp. 1920.

YEANG, Ken. Ecodesign. A Manual for Ecological Design. John Wiley & Sons, Ltd. London, 2006.

YEANG, Ken. Proyectar con la naturaleza. Bases ecológicas para el proyecto arquitectónico. Gustavo Gili. Barcelona, 1999. Versión castellana a cargo de Carlos Sáenz de Valicourt.

OLGAY, Victor. Arquitectura y clima. Manual de diseño bioclimático para arquitectos y urbanistas. Gustavo Gili. Barcelona, 1999. Versión castellana a cargo de Josefina Frontado y Luis Clavet.

CHEN, Qingyan. Building and Environment. The international journal of building science and its aplications. ELSEVIER. Atenas, 2012.

GARCÍA-ROMERO, A.; 2012, Arquitectura; Meteriales de Cambio de Fase para almacenamiento térmico y su empleo en edificación, Universidad del País Vasco

93

Rehabilitación energética mediante fachadas ventiladas con materiales de cambio de fase (PCM) | Aitor Guijarro Belda | Julio 2016

MEHLING, H.; CABEZA, L. 2008, Heat and Cold Storage with PCM. AN Up to date introduction to the basics and aplications, Springer, Berlin.

LUKE HAUN, M.E., 2015, Thermal characterization of phase change material using the t-history method, Entropy Solutions

MURAT M., K., 2010, High-temperature phase change materials for thermal energy storage, Renewable and Sustainable Energy Reviews

SAUNDERS, M., 2008, Strategies for reducing overheating in lightweight buildings with phase change materials, Climate Change

FELDMAN, D., ATHIENITIS, A.K., 1997, Investigation of the Thermal Performance of a Passive Solar Test-Room with Wall Latent Heat Storage

SOLOMON, A.D., 1979, Design criteria in PCM wall thermal storage, Energy 4

ABHAT, A., 1983, Low temperature latent heat thermal energy storage: heat storage materials, Solar energy, vol 30, nº4

HAWLANDER, UDDIN, ZHU, 2002, Microencapsulated paraffin profile evaluated by scanning electron microscope at different thermal cycles, cited by Khudair and Farid

MASELLI, P., 2010, Las aplicaciones arquitectónicas de los materiales con cambio de fase en los cerramientos exteriores, Universidad Politécnica de Cataluña Software informático

94

AutoCAD 2015

Geosol

LIDER

Rhinoceros 5

Google earth

Calener_VYP

Photoshop

Therm 7.2

PCMexpress