El Muro Trombe y los PCM

El Muro Trombe es una pared orientada al sol, preferentemente hacia el Norte en los países del hemisferio sur, y hacia el sur en los países del hemisferio norte. Es un sistema pasivo de acumulación de energía solar de forma indirecta basado en el efecto invernadero. Consta de:

  • una hoja de vidrio exterior: genera el efecto invernadero impidiendo que la radiación retorne al exterior una vez captada
  • aberturas para controlar la entrada y salida de aire (en las dos hojas)
  • cámara de aire
  • pared acumuladora, construida con materiales de alta capacidad calorífica

Uno de los aspectos más interesantes de este tipo de muros es su capacidad de acumulación térmica. Este elemento de acumulacióm implica un aumento del volumen y peso del muro que limita su integración en un edificio ya existente, y conlleva el uso de una gran cantidad de materiales para su elaboración (piedra ladrillo, hormigón, etc.).  Para resolver este problema, este componente puede ser remplazado por materiales de cambio de fase, que permiten una gran capacidad de almacenaje en menor volumen, posibilitando su utilización a través de módulos prefabricados ligeros.

Panel con encapsulado de parafina

Panel de parafina / https://www.alibaba.com/

Los materiales de cambio de fase son una de las formas más eficientes para el almacenamiento térmico, se conocen internacionalmente por su acrónimino en ingles PCM (phase change materials), y en los sistemas de calefacción pasiva, se pueden encapsular para utilizar independientemente o para incorporarlos en otros materiales de construcción, incrementando la capacidad de almacenamiento térmico del sistema.

Estos materiales se caracterizan por experimentar un cambio de fase (de sólido a líquido o viceversa) a una temperatura determinada que se mantiene constante. Tal y como Oliver y otros recogen “Este hecho supone una mayor densidad energética de estos materiales en comparación con cualquier otro”. En este cambio de estado la energía es absorbida o liberada.

Uso de PCM en arquitectura

Esquema de funcionamiento de los PCM / http://www.3ciencias.com

Entre los aspectos que resultan beneficiosos para su aplicación en la edificación se puede mencionar, por un lado, la baja temperatura a la cual se acumula energía, consiguiendo por lo tanto pérdidas menores, y por otro lado, el retardo o retraso térmico entre la absorción de la radiación solar y cesión de la energía térmica a los espacios.

Los materiales de cambio de fase se clasifican en:

  • Inorgánicos: Sales hidratadas. Entre sus propiedades destacan:
    • el relativo bajo coste
    • la gran capacidad de almacenamiento de calor por unidad de volumen
    • la elevada conductividad térmica
    • no son inflamables
    • son reciclables
    • son biodegradables
  • Orgánicos: Ceras de parafina, ácidos grasos y mezclas eutécticas. Entre sus propiedades destacan:
    • más eficientes para la realización de materiales constructivos
    • tienen buena estabilidad térmica y química
    • son reciclables
    • son ecológicamente inocuos
Uso PCM en arquitectura

Composición sales hidratadas (imagen izquierda) y bloque de parafina (imagen centro y derecha) / http://angelsinocencio.blogspot.com.es https://www1.villanova.edu

Aunque muchos de los inconvenientes que tenían estos materiales ya se han elimanado, hay que considerar aspectos como la inflamabilidad de los PCM orgánicos o el potencial corrosivo en algunos metales de los inorgánicos así como el impacto ambiental del producto a la hora de su selección.

Entre las ventajas de los PCM se puede señalar que:

  • almacenan y liberan grandes cantidades de energía a una temperatura constante a través de su cambio de estado, en forma de calor latente
  • aumentan la capacidad de almacenamiento térmico en un edificio incrementando el confort térmico
  • pueden reducir de manera significativa el consumo energético del edificio y, por lo tanto, sus emisiones de CO2
  • son biodegradables (la mayoría de ellos)
  • tienen un relativo bajo costo
  • si se incorporan en componentes prefabricados, facilitan el proceso de construcción y es posible su deconstrucción
  • son reciclables

La clase dictada por el Arquitecto Javier Neila en el MDGAE, me motivó a investigar sobre este tema ya que me mostró alternativas interesantes para los sistemas de calefacción pasiva.

Llegué a la conclusión de que la aplicación de los PCM en los muros trombe podría constituir una mejora de este sistema de calefacción pasiva, aumentando las capacidades de un sistema constructivo sencillo con materiales de bajo costo, y que a la vez plantea una mayor eficiencia energética compatible con la búsqueda de mejorar la calidad del medio ambiente desde la construcción, disminuyendo el impacto ambiental de la edificación y proporcionando confort al usuario.

Uso de PCM en arquitectura

Muro Trombe con ladrillo macizo (imagen izquierda) y con muro con PCM incorporado, esquema de funcionamiento durante el día en el período frío / Elaboración propia

TROMBE WALL AND PCM

Trombe Wall is a wall that faces the sun, preferably to the North in countries in the Southern Hemisphere, and South in the Northern Hemisphere. One of the most interesting aspects in these walls is its storage capacity. Although this heat storage component means an increase in its volume and weight which limits its integration into an existing building, and creates the use of a large amount of materials for its construction (brick stone, concrete, etc.). To solve this problem, this component can be replaced by phase-change materials (PCM), which allow a large storage capacity in smaller volume, using them in a lightweight prefabricated module.

Among the advantages of PCMs it can be noted that:

  • store and release large amounts of energy at a constant temperature through their change of state, in the form of latent heat
  • increase the thermal storage capacity of a building and the thermal comfort
  • can significantly reduce the building’s energy consumption and, therefore, its CO2 emissions
  • are biodegradable (most of them)
  • have a relatively low cost
  • if they are incorporated in prefabricated components, the construction process is easier and deconstruction is possible
  • are recyclable

The lecture by architect Javier Neila in MDGAE, motivated me to find out more about them, with constitute an interesting alternative for passive heating systems.

To conclude, the application of PCM in Trombe walls could be an improvement for this passive heating system, increasing the capabilities of a simple construction system with low cost materials, giving greater energy efficiency compatible with the quest to improve the quality of the environment from the construction, reducing the environmental impact and creating thermal comfort for the occupants.

María Dolores Juri, alumna MDGAE promoción 2016-17

Revisión: Silvia Domingo Irigoyen, coordinadora MDGAE.

Fuentes / Sources:

  1. Clase arquitecto Javier Neila, en el Máster en Diseño y Gestión Ambiental de Edificios, Pamplona, Septiembre 2016.

Bibliografía / Bibliography:

  1. Anon, Estudio experimental muro Trombe con material con cambio de fase. | Construyendo nuestra casa con la técnica del GREB. Available at: https://casagreb.wordpress.com/2012/01/12/estudio-experimental-muro-trombe-con-material-con-cambio-de-fasr/
  2. Anon, Ingenio y Técnica: Material de Cambio de Fase (PCM), inercia térmica 100 veces más eficiente. Available at: http://angelsinocencio.blogspot.com.es/2016/05/material-de-cambio-de-fase-pcm-inercia.html
  3. Anon, 2012. ISM 60 Sandbag Classrooms_Mbera Refugee Camp_Mauritania.
  4. Anon, Klimaat Consulting & Innovation Inc. – Climate Visualization. Available at: http://epw.klimaat.ca/
  5. Anon, PCM Phase Change Material Manufacturers for AC Air Conditioner. Available at: http://www.pcmenergy.com/products/acbackup.htm.
  6. Anon, The Design and Analysis of Paraffin-Based Phase Change Material [PCM] Within A Daylighting Panel. Available at: https://www1.villanova.edu/villanova/engineering/research/Faculty/novatherm/research-projects/phasechange.html
  7. Granados Menéndez, H., 2006. Principios y estrategias del diseño bioclimático en la arquitectura y el urbanismo : eficiencia energética., [Madrid] : Consejo Superior de los Colegios de Arquitectos de España, [2006]. Available at: http://ezproxy.si.unav.es:2048/login?url=http://search.ebscohost.com/login.aspx?direct=true&AuthType=ip,url&db=cat00378a&AN=bnav.b2302892&lang=es&site=eds-live&scope=site
  8. Oliver, A. & Arquitectura De Madrid, R.E.T.S., Integración de materiales de cambio de fase en placas de yeso reforzadas con fibras de polipropileno. Aplicación a sistemas de refrigeración y calefacción pasivos para almacenamiento de calor latente en edificios.
  9. Oliver Ramirez, A., García Santos, A. & Javier Neila González, F., 2009. PCM Integration in gypsum boards reinforced with polypropylene fibers application to passive cooling and heating systems for latent heat storage in buildings.
  10. Zalewski, L. et al., 2012. Experimental study of small-scale solar wall integrating phase change material. Solar Energy, 86(1), pp.208–219.

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