Los materiales de cambio de fase añadidos a elementos constructivos ligeros aumentan su inercia térmica acumulando energía en forma de calor latente. Su aplicación en los edificios permite la mejora de la eficiencia energética de forma pasiva ya que actúan como termorregulador limitando la dependencia de equipos mecánicos de apoyo para alcanzar el confort interior, reduciendo así el consumo energético ¿Habías oído hablar de este tipo de materiales? ¿Conoces sus aplicaciones en los edificios? ¿Cómo funcionan? En este post te lo explicamos y esperamos vuestros comentarios.
24-10-17
¿Qué es un PCM?
PCM son las siglas de Phase Change Material. En español, materiales de cambio de fase o MCF. Son materiales “inteligentes” con un alto calor latente. El secreto tiene que ver con la física, es decir, con el cambio de estado. Los materiales de cambio de fase absorben o ceden calor cuando alcanzan la temperatura de cambio de fase, es decir, cuando pasan de estado sólido a líquido o viceversa respectivamente. Durante el cambio de fase la temperatura se mantiene constante y el material sigue absorbiendo energía. Precisamente esta propiedad permite su aplicación en los edificios mejorando su eficiencia energética de forma pasiva.
Los materiales de cambio de fase almacenan la energía en forma de calor latente, en un intervalo corto de temperatura. Su capacidad de almacenamiento es muy superior en comparación con el almacenamiento de energía en forma de calor sensible. Aprovechan toda la energía acumulada para que se produzca el cambio de fase. Las pérdidas energéticas también son limitadas.
Ya hemos hablado alguna vez en este blog sobre la inercia térmica en los edificios. Gracias a esta propiedad se puede conseguir que las paredes o el suelo, por ejemplo, de una vivienda acumulen calor durante el día y que luego lo liberen cuando baja la temperatura. De esta manera se consigue estabilizar la temperatura en el interior de los edificios. Las viviendas construidas con muros de tapial de tierra comprimida son un buen ejemplo de ello. Pero claro un muro de este tipo y con cierto espesor tiene una gran inercia térmica debido a sus características constructivas y a las del propio material. No ocurre lo mismo por ejemplo, con otro tipo de elementos constructivos más ligeros.
Es aquí donde aparecen los materiales de cambio de fase que aumentan la capacidad de almacenar calor en elementos constructivos que “no la tienen”. La ventaja consiste en que se puede aumentar la inercia térmica de elementos ligeros o con poco espesor añadiendo materiales de cambio de fase, como por ejemplo en placas de yeso laminado. Los materiales de cambio de fase añadidos acumularán energía en forma de calor latente.
La inercia térmica o capacidad de almacenar calor de los materiales
La inercia térmica o capacidad de almacenar calor de un cerramiento, depende básicamente de las características del material que lo compone:
1. El calor específico del material, Cp (J/KgK)
El calor específico de un material representa la cantidad de calor que es necesario suministrar a un Kg de material para elevar su temperatura un grado. Esta es la definición de calor sensible.
Tierra vegetal, Cp = 1.840 J/KgK.
Arcilla o limo, Cp = 1.670-2.500 J/KgK.
Madera frondosa, Cp = 1.600 J/KgK.
Granito, Cp = 1.000 J/KgK.
Corcho comprimido, Cp = 1.560 J/KgK.
Hormigón armado, Cp = 1.000 J/KgK.
Ladrillo perforado LP, Cp = 1.000 J/KgK.
Placa de yeso laminado PYL, Cp = 1.000 J/KgK.
2. La densidad del material,d (Kg/m³)
Granito, d= 2.500-2.700 kg/m³.
Hormigón armado, d> 2.500 kg/m³.
Tierra vegetal, d= 2.050 kg/m³.
Arcilla o limo, d= 1.200-1.800 kg/m³.
Placa de yeso laminado PYL, d= = 750-900 kg/m³.
Ladrillo perforado LP, d= 780 kg/m³.
Madera frondosa, peso medio, d= 565-750 kg/m³.
Corcho comprimido, d< 500 kg/m³.
3. El espesor del cerramiento, E (m)
Aplicando estas propiedades en la siguiente fórmula obtenemos el valor de la capacidad de un cerramiento para almacenar calor C:
C=dxCpxE
Vamos a calcular la capacidad de almacenar calor C, de varios cerramientos con el mismo espesor pero de distinto material:
Arcilla o limo, C = 1.800×2.500×0,20= 900.000 J/m²K. λ=1,50 W/mK
Tierra vegetal, C = 2.050×1.840×0,20= 754.400 J/m²K. λ=0,52 W/mK
Granito, C = 2.700×1.000×0,20= 540.000 J/m²K. λ=2,80 W/mK
Hormigón armado, C = 2.500×1.000×0,20= 500.000 J/m²K. λ=2,50 W/mK
Madera frondosa, C = 750×1.600×0,20= 240.000 J/m²K. λ=0,18 W/mK
Placa de yeso laminado PYL, C= = 900×1.000×0,20= 180.000 J/m²K. λ=0,25 W/mK*
Ladrillo perforado LP, C = 780×1.000×0,20= 156.000 J/m²K. λ=0,35 W/mK
Corcho comprimido, C = 500×1.560×0,20= 156.000 J/m²K. λ=0,10 W/mK
Una vez calculados los valores de capacidad de almacenar calor podemos observar y comparar los resultados obtenidos para unos y otros materiales. Hemos incorporado también el valor de la conductividad de cada material para comprobar que los materiales con mayor inercia térmica son los mejores aislantes (baja conductividad).
* Los PYL suelen tener un espesor de 1-1,5 cm y no de 20 cm por lo que su capacidad de almacenamiento se reduce considerablemente, C= = 900×1.000×0,015= 13.500 J/m²K.
La inercia térmica mejorada incorporando materiales de cambio de fase PCM
Los PCM tienen una alta capacidad para almacenar energía en forma de calor latente y en un rango estrecho de temperatura. Esta propiedad se puede aprovechar en múltiples aplicaciones ya que puede almacenar calor del que disponer después y también actuar como termorregulador limitando la dependencia de sistemas mecánicos de apoyo y reduciendo así el consumo energético. También se puede utilizar como refrigerante para la protección térmica de alimentos, de dispositivos electrónicos, en espacios interiores con altas cargas internas, para obtención de agua caliente sanitaria, etc..
Aplicación de los PCM en la edificación
Su aplicación en edificios consiste en que actúan como termorregulador reduciendo las oscilaciones térmicas en el ambiente interior y de forma pasiva. De ahí que se diga que son materiales “inteligentes” ya que son capaces de responder a las variaciones de las condiciones térmicas del entorno. El funcionamiento durante cada época del año es muy sencillo. En verano por ejemplo, cambiarán de sólido a líquido al absorber el exceso de calor. De esta manera los usuarios no notarán el aumento de la temperatura reduciendo así la dependencia de los sistemas de refrigeración. En invierno ocurrirá lo contrario, cuando la temperatura empiece a descender, el material empezará a ceder calor al aire interior. Cuando se ceda calor, el material pasará de estado líquido a sólido. En ambos escenarios la temperatura ambiente interior permanecerá constante durante el cambio de fase, sin tener que recurrir a sistemas de climatización.
Imagen. PCM amortiguador térmico para los días de calor. Web Architecture and Design
Los PCM se caracterizan por su temperatura de cambio de fase. Por lo tanto los materiales más adecuados para su aplicación en la edificación serán aquellos cuya temperatura de cambio de fase se aproxime a la temperatura ambiente de confort de entre los 20ºC y los 30ºC.
Ejemplos de PCM incorporados en materiales
Los materiales de cambio de fase PCM se clasifican en orgánicos e inorgánicos. Los primeros son más estables, menos corrosivos pero son potencialmente combustibles y su precio es superior al de los inorgánicos. Los inorgánicos en cambio tienen un mayor calor latente y densidad, no son inflamables y son más baratos. Los PCM orgánicos más comunes son las ceras de parafina, ácidos grasos derivados de productos animales y vegetales y las mezclas orgánicas. Los PCM inorgánicos suelen ser sales hidratadas. Ambos son reciclables.
Los PCM se pueden incorporar, como se ha comentado, en materiales constructivos como puede ser el hormigón, el cemento, el yeso, la madera o en ladrillos. Los métodos de integración son: incorporación directa, encapsulado e inmersión. Cuando se incorporan encapsulados presentan mayores ventajas respecto de los otros dos métodos de integración. El encapsulado puede ser micro o macro, en función del formato de la cápsula.
Fuente: Catálogo de elementos constructivos del CTE, archivo CAT-EC v06.3 Marzo de 2010, en Integración de materiales de cambio de fase en placas de yeso reforzadas con fibra de polipropileno, aplicación a sistemas de refrigeración y calefacción pasivos para almacenamiento de calor latente en edificios, Autora Dña. Alicia Oliver Ramírez, Junio 2009; interempresas.net CTC y los materiales con cambio de fase: gestión térmica eficiente.
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Interesante artículo. Sería posible que facilitáseis alguna patente que comercialice estos productos (especialmente tabiques, trasdosados ligeros y yesos). Llevo tiempo buscando sin éxito. Sé que Basf empezó a desarrollar unos yesos con parafinas pero parece que aquello no se sustanció.
Gracias y enhorabuena